DE3724749C2

DE3724749C2 - Lichtwellenleiter, faseroptisches Element und Bildsichtgerät

Info

Publication number: DE3724749C2
Application number: DE3724749A
Authority: DE
Inventors: Atsushi Utsumi; Kenzou Semimoto; Hiroyuki Hayami
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 1986-07-29
Filing date: 1987-07-25
Publication date: 1997-05-07
Anticipated expiration: 2007-07-26
Also published as: FR2602344B1; GB8717819D0; GB2194354B; CA1291352C; GB2194354A; DE3724749A1; US4783135A; FR2602344A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtwellen leiter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein faseroptisches Element nach dem Oberbegriff des An spruchs 2 und ein Bildsichtgerät mit dem zur Bild übertragung dienenden faseroptischen Element.

Die Durchmesser von Lichtwellenleitern und auch faser optischen Elementen aus Glas sollen in vielen Fällen möglichst kleine Durchmesser aufweisen. Je kleiner im Fall eines faseroptischen Kabels für Zwecke der Daten übertragung, der Durchmesser der Lichtwellenleiter ist, desto kleiner ist auch der Durchmesser des fertigen faseroptischen Kabels. Als Folge davon wird es möglich, noch mehr dieser Kabel in einem begrenzten Raum zu installieren. Andererseits ist es im Fall von Bild sichtgeräten, die sich eines faseroptischen Elements als Bildüberträger bedienen, erforderlich, daß diese Bildsichtgeräte die direkte, detaillierte Beobachtung von Teilen oder Orten ermöglichen, die gewöhnlich nur schwierig zu beobachten sind, etwa das Innere von Hochöfen, das der Strahlung ausgesetzte Innere von Atomreaktoren, innere Teile des Körpers von Menschen oder Tieren, enge oder eingeschnürte Innenteile von Vorrichtungen etc.

Lichtwellenleiter aus Glas werden im allgemeinen her gestellt durch Ziehen eines Vorformlings oder eines Bündels von Vorformlingen bei hoher Temperatur und an schließendes Aufbringen einer Beschichtung auf die so gezogenen Faser. Als Material für die Beschichtung werden organische Harze, etwa thermoplastische Harze, warmhärtende Harze etc., verwendet. Es ist jedoch schwierig, eine dünnere Beschichtung ohne Neigung oder Ungleichmäßigkeiten in der Dicke herzustellen. Soweit eine aus einem organischen Harz hergestellte Beschich tung zum Einsatz gelangt, existiert demzufolge eine unvermeidliche Begrenzung in bezug auf die Verringerung des Durchmessers Lichtwellenleiter sowie der Durch messer der Bildsichtgeräte.

Aus der US-PS 4,167,305, der US-PS 4,697,877, dem GB-PS 969,941, der GB 2 033 889 A und der EP 0 068 175 A1 sind Beschichtungen von Lichtwellenleitern und faser optischen Elementen mit organischen Materialien be kannt. Diese Beschichtungen weisen, bedingt durch die Aufbringung dieser Materialien, relativ große Durch messer auf.

Das Problem der vorliegenden Erfindung ist es, einen Lichtwellenleiter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein faseroptisches Element nach dem Oberbegriff des An spruchs 2 und einen Bildsichtgerät mit einem zur Bildüber tragung dienenden faseroptischen Element mit ver gleichsweise geringem Durchmesser zur Verfügung zu stellen.

Die erfindungsgemäßen Lichtwellenleiter weisen optische Fasern aus einem Kern und einem auf dem Kern gebildeten Mantel und, erforderlichenfalls, eine auf dem Mantel gebildete tragende Schicht auf. Die faseroptischen Ele mente weisen ein Rohr mit im Vergleich zu seinem Durch messer geringen Wanddicke auf, das vollständig mit einem Bündel aneinandergeschmolzener optischer Fasern gefüllt ist.

Die Lichtwellenleiter der vorliegenden Erfindung eignen sich für die optische Datenübertragung und Beleuchtung, während die faseroptischen Elemente zur Bildübertragung geeignet sind.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch Bildsichtge räte, in denen die oben genannten faseroptischen Elemente zur Bildübertragung eingebaut sind und die für industrielle, medizinische und andere Einsatzzwecke geeignet sind.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungs gemäßen Lichtwellenleiters.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren er findungsgemäßen Lichtwellenleiters.

Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungs gemäßen faseroptischen Elements.

Fig. 4 zeigt im Schnitt eine vergrößerte Teilansicht des faseroptischen Elements der Fig. 3.

Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren er findungsgemäßen faseroptischen Elements.

Fig. 6 zeigt im Schnitt eine vergrößerte Teilansicht des faseroptischen Elements der Fig. 5.

Fig. 7 zeigt ein Diagramm der Brechzahl-Verteilung der Kerne von erfindungsgemäßen Lichtwellenleitern in einem faseroptischen Element wie denjenigen, die in Fig. 3 oder Fig. 5 dargestellt sind.

Fig. 8 zeigt eine Schnittansicht eines erfindungsge mäßen Bildsichtgerätes, in das ein faseroptisches Element eingebaut ist.

Der in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Licht wellenleiter 2 besteht aus einem Glas-Kern 11 und einem Glas-Mantel 12 und weist eine Beschichtung 14 auf dem Mantel 12 auf. Der in Fig. 2 dargestellte Lichtwellen leiter 2 aus Glas hat weiterhin eine tragende Schicht 13 auf dem Mantel 12 und eine Beschichtung 14 auf der tragenden Schicht 13.

Das faseroptische Element M gemäß den Fig. 3 und Fig. 4 besteht aus mehreren Lichtwellenleitern 2, die an einander geschmolzen und miteinander verbunden sind, und aus einem auf dem Bündel gebildeten Rohr 24 mit im Vergleich zum Durchmesser geringer Wanddicke und einer Schicht 25 auf dem Rohr 24. Jeder der Lichtwellenleiter 2 besteht aus einem Kern 21 und einem Mantel 22.

Das in Fig. 5 und Fig. 6 dargestellte faseroptische Element M besteht aus einem Bündel, das aus mehreren Lichtwellenleitern 2, die aneinander geschmolzen und miteinander verbunden sind, aufgebaut ist und aus einem auf dem Bündel gebildeten Rohr 24 sowie einer Schicht 25 auf dem Rohr 24. Jeder der Lichtwellenleiter 2 be steht aus einem Kern 21, einem Mantel 22 und einer tragenden Schicht 23.

Fig. 8 zeigt das zur Bildübertragung dienende faserop tische Element 3, eine Objektivlinse 31, die am vor deren Ende des faseroptischen Elements 3 angebracht ist, ein abnehmbares Okular 32, das am rückwärtigen Ende des faseroptischen Elements 3 angebracht ist, eine Okularlinse 33, die innerhalb des Okulars 32 instal liert ist und einen beleuchtenden Lichtleiter 4. Ein erfindungsgemäßes faseroptisches Element M wird gemäß der Fig. 3 oder Fig. 5 als faseroptisches Element 3 eingesetzt. Wenigstens eine speziell festgelegte Strecke des Vorderteils des Lichtleiters 4 ist in einem Schutzrohr 5 untergebracht, das gemeinsam mit dem faseroptischen Element 3 ver läuft, um die Faser 3 über ihre gesamte Länge hinweg zu schützen. Der verbleibende rückwärtige Teil des Leiters 4 zweigt ab und wird von einem Schutzrohr 6 umhüllt. Wenn für das Bildsichtgerät eher Wärmebeständigkeit als Biegsamkeit gefordert wird, werden die Schutzrohre 5 und 6 aus Metall wie nichtrostendem Stahl, Titan oder Kupfer hergestellt. Wenn Biegsamkeit speziell für me dizinische Verwendungszwecke erforderlich ist, werden diese Rohre aus einem biegsamen organischen Hochpoly meren wie Nylon, Polyethylen, Polypropylen, Polyvinyl chlorid etc. hergestellt. Wenn das vorliegende Bild sichtgerät als medizinisches Bildsichtgerät eingesetzt werden soll, beherbergt das Schutzrohr 5 in Verbindung mit dem faseroptischen Element 3 und zusätzlich zu dem Lichtleiter 4 andere Mittel wie eine Wasserleitung, eine Gasleitung, eine Pinzette, einen Ballon, ein Spitzengelenk (tip articulation), eine Laser-Faser, einen elektrischen Koagulator oder dergleichen.

Die Beschichtungen 14 in Fig. 1 und Fig. 2 und die Schichten 25 in Fig. 3 und Fig. 5 sind, zumindest in einem gewünschten Teil derselben, aus einem Material hergestellt, das dunkelbraun oder schwarz, vorzugsweise schwarz, ist und durch Verkohlen eines organischen Har zes gebildet wird, wie im Folgenden beschrieben wird. Der aus dem verkohlten organischen Harz hergestellte gewünschte Teil ist beispielsweise ein Teil, bei dem es erforderlich ist, daß sein Durchmesser klein ist, etwa im Fall der Mehrfachfaser eines Bildsichtgeräts der obere Teil, ein Teil der in den Hohlraum eines Kathe ters eingesetzt werden soll und dergleichen.

Natürlich kann auch die gesamte Länge der Beschich tungen 14 oder Schichten 25 aus einem verkohlten or ganischen Harz hergestellt werden.

Als organisches Harz, das in der vorliegenden Erfindung einzusetzen ist, können verschiedene chemische Arten, etwa thermoplastische organische Harze, warmhärtende organische Harze, durch Hitze, Bestrahlung mit UV-Strahlen oder Elektronenstrahlen und dergleichen Me thoden gehärtete Harze, verwendet werden, sofern sie zur Bildung eines kontinuierlichen Films aus daraus gebildetem verkohlten Material befähigt sind. Im all gemeinen sind die gehärteten organischen Harze vorzu ziehen, da sie kaum tropfen, wenn sie zum Verkohlen erhitzt werden. Beispiele für die organischen Harze sind Epoxy-Harze, Urethan-Harze, Polyimid-Harze, Poly ester-Harze, Polyether-Harze, Polyamid-Harze und ge härtete Stoffe aus diesen. Herkömmliche Lacke, die zur Herstellung von Magnet-Drähten Verwendung finden, wer den bevorzugt eingesetzt.

Unter diesen bevorzugt werden organische Harze, die Acryloyl-Gruppen enthalten und gehärtete Stoffe daraus, die mittels UV-Bestrahlung, Erhitzen oder anderen Me thoden gehärtet wurden.

Als Beispiele für die Acryloyl-Gruppen enthaltenden organischen Harze sind diejenigen bevorzugt, die als photopolymerisierbare Prepolymere 1 bis 10 funktionelle Acryloyl-Gruppen in den Molekülen haben und auch einen Polymerisationsgrad von 2 bis etwa 100 haben. Beispiele für solche photopolymerisierbaren Prepolymeren sind nachstehend aufgeführt.

Polyurethanacrylate: etwa Polyurethanacrylate der Polyether-Polyol-Typen, Polyurethanacrylate der Poly ester-Polyol-Typen, Polyurethanacrylate, die sowohl Ether-Gruppen als auch Ester-Gruppen im Molekül auf weisen. Beispiele für die oben bezeichneten Polyether-Poly ole sind Additionsverbindungen, in denen Bisphenol-A an Polyethylenglycol, Polypropylenglycol, Polytetra methylenglycol, 1,3-Butylenglycol, 1,4-Butylenglycol, 1,6-Hexandiol, Neopentylglycol, Cyclohexandimethanol, 2,2-Bis(4-hydroxycyclohexyl)propan, Ethylenoxid, Pro pylenoxid und dergleichen addiert ist. Beispiele für die oben bezeichneten Polyester-Polyole sind Reaktions produkte eines oder mehrerer der vorgenannten Poly ether-Polyole mit Adipinsäure, Sebacinsäure, Azelain säure, Dodecandicarbonsäure oder dergleichen Dicarbon säuren und deren Säureanhydriden. Beispiele für Diiso cyanate, die zur Herstellung der Urethanacrylat-Poly meren mit einem oder mehreren der Polyether-Polyole oder Polyester-Polyole verwendet werden, sind Tolylen diisocyanat, 4,4′-Diphenylmethandiisocyanat und der gleichen aromatische Diisocyanate, Isophorodiisocyanat, 4,4′-Dicyclohexylmethandiisocyanat und dergleichen alicyclische Diisocyanate, Hexamethylendiisocyanat, 2,2′-Trimethylhexamethylendiisocyanat und dergleichen aliphatische Diisocyanate. Beispiele für polymerisier bare Monomere mit Hydroxy-Gruppen sind β-Hydroxyethyl methacrylat, β-Hydroxypropylmethacrylat, β-Hydroxy- laurylmethacrylat, ε-Caprolactam-β-hydroxyethylmeth acrylat und dergleichen Hydroxy-Gruppen enthaltende Methacrylate.

Epoxyacrylat-Polymere: etwa diejenigen, in denen Epoxy-Gruppen in verschiedenartigen Epoxy-Harzen mit Acrylsäure oder deren Derivaten verestert sind, wodurch Acryloyl-Gruppen gebildet werden, beispielsweise Epoxyacrylat-Polymere der Bisphenol-A-Typen, Epoxy acrylat-Polymere der Novolack-Typen, Epoxyacrylat-Poly mere der Polyalkohol-Typen, Epoxyacrylat-Polymere mehrbasiger Säuren, Epoxyacrylat-Polymere der Poly butadien-Typen und dergleichen.

Polyester-Acrylate: etwa diejenigen, die durch Acry lieren einer Vielfalt von Polyestern hergestellt wer den, die durch Reaktion eines oder mehrerer Polyal kohole wie Ethylenglycol, Diethylenglycol, 1,4-Butan diol, 1,6-Hexandiol, Trimethylolpropan, Dipropylen glycol, Polyethylenglycol, Polypropylenglycol, Penta erythrit, Dipentaerythrit und dergleichen mit einer oder mehreren zweibasigen Säuren wie Phthalsäure, Terephthalsäure, Adipinsäure, Maleinsäure, Trimellit säure, Itaconsäure, Bernsteinsäure, Alkenylbernstein säure und dergleichen erhalten wurden.

Neben den vorgenannten Verbindungen werden Polyure thanepoxyacrylate, Polyesterurethanacrylate, Poly etheracrylate, Polyolacrylate, Polyacrylate, Poly alkydacrylate, Polysiloxanacrylate und Acryloyl-Gruppen enthaltende organische Harze, die in den US-PSen 3 876 432, 3 673 140, 4 125 644, 4 099 837 etc. beschrieben sind, vorzugsweise verwendet. Weiterhin können auch viele Arten im Handel erhältlicher, mittels UV-Strahlung härtbarer Harze wie Anstrichmittel, Farben, Kleber, filmbildende Verbindungen und der gleichen, die aus einem photopolymerisierbaren Pre polymer, etwa einem der oben genannten, einem photo polymerisierbaren Monomer, einem Polymerisationsini tiator, einem Lichtsensibilisator etc. bestehen, in der vorliegenden Erfindung verwendet werden.

In der vorliegenden Erfindung kann die Bildung der aus einem dunkelbraunen oder schwarzen verkohlten Material aus einem organischen Harz hergestellten Beschichtungen oder Schichten beispielsweise dadurch realisiert wer den, daß die Beschichtung oder Schicht eines oben auf geführten organischen Harzes auf übliche Weise wie durch Beschichten, Sprühen, elektrophoretische Ab scheidung, Extrusion oder dergleichen aufgebracht wird, nötigenfalls die Schicht des organischen Harzes durch Erhitzen, Bestrahlen und dergleichen gehärtet wird und danach wenigstens die Oberfläche und der ihr benach barte innere Teil, vorzugsweise jedoch die gesamte Tiefe der Schicht des organischen Harzes mittels einer geeigneten Verkohlungsmethode wie Erhitzen auf hohe Temperatur, starke Bestrahlung, Oberflächen-Entladung etc. verkohlt wird. Im Fall des Verkohlens durch Er hitzen auf hohe Temperatur wird die organische Harz-Schicht etwa 5 bis etwa 200 min auf eine Temperatur von etwa 250°C bis etwa 400°C, vorzugsweise etwa 8 bis etwa 100 min auf 280°C bis etwa 380°C und besonders bevorzugt etwa 10 bis etwa 60 min auf etwa 300°C bis etwa 350°C, an der Luft oder in einer Atmosphäre aus Stickstoff, Wasserstoff, Argon, Kohlenstoffdioxid, Am moniak und unter vergleichbaren Bedingungen einer At mosphäre, die frei von Sauerstoff ist oder einen nied rigen Sauerstoff-Gehalt aufweist, erhitzt, vorzugsweise in einer Atmosphäre, die frei von Sauerstoff ist oder einen Sauerstoff-Gehalt von weniger als 5 Vol.-% auf weist.

Man nimmt an, daß das dunkelbraune oder schwarze ver kohlte Material ein Gemisch aus verschiedenartigen kondensierten Resten des organischen Harzes ist, und die kondensierten Reste werden durch Leiter-Polymer-Bil dung, Kondensationsreaktion, Agglomerierung, Rück standsbildung und dergleichen Reaktionen im Laufe der Verkohlungs-Behandlung gebildet.

Die Dicke der organischen Beschichtung oder Schicht vor der Verkohlung beträgt beispielsweise etwa 10 bis etwa 200 µm, vorzugsweise etwa 30 bis etwa 100 µm. Die Dicke der verkohlten Schicht, wenngleich abhängig vom Ausmaß der Verkohlungs-Behandlung, kann auf weniger als etwa zwei Drittel, in einigen Fällen sogar auf weniger als die Hälfte der ursprünglichen Dicke abnehmen, wenn die Verkohlung 10 min oder länger bei einer Temperatur oberhalb von 300°C erfolgt. Aus diesem Grunde hat in der vorliegenden Erfindung die aus dem verkohlten Ma terial hergestellte Beschichtung oder Schicht eine Dicke von vorzugsweise etwa 2 bis 50 µm und besonders bevorzugt von 4 bis 30 µm, und sie wird erhalten durch Verkohlung der organischen Harz-Schicht in einem sol chen Maße, daß die Dicke der organischen Harz-Schicht auf etwa 90% oder weniger, bevorzugt auf 80% oder weniger und ganz besonders bevorzugt auf 60% oder weniger der ursprünglichen Dicke reduziert wird.

Die faseroptischen Leiter der vorliegenden Erfindung wie Lichtwellenleiter und faseroptische Elemente be stehen aus Gläsern, die gegen die hohen Temperaturen bei der Verkohlungs-Behandlung beständig sind. Bei spiele für die Gläser sind reine Siliciumdioxid-Gläser, mit einem oder mehreren Dotierungsmitteln dotierte reine Siliciumdioxid-Gläser und eine Vielfalt von Mehrkomponenten-Gläsern. Unter den vorgenannten faser optischen Leitern ist es erforderlich, daß die faser optischen Elemente einen kleineren äußeren Durchmesser aufweisen, insbesondere dann, wenn sie als Bildüber träger medizinischer Bildsichtgeräte, etwa eines Angioskops, verwendet werden. In solchen sind als faseroptische Elemente diejenigen zu bevorzugen, bei denen der Kern, den Mantel und auch die tragende Schicht, falls vorhanden, der Lichtwellenleiter derselben sämtlich aus Siliciumdioxid-Gläsern wie reinem Siliciumdioxid-Glas oder verschiedenen Arten dotierter Siliciumdioxid-Gläser angefertigt sind. Hiervon sind in der vorliegenden Erfindung diejenigen ganz besonders bevorzugt, bei denen jeder Kern der Lichtwellenleiter derselben aus einem dotierten Sili ciumdioxid-Glas gefertigt ist und eine spezielle Ver teilung des Brechungsindex aufweist, wie sie in Fig. 7 dargestellt ist, oder diejenigen, in denen die faserop tischen Elemente spezielle Maße und einen speziellen Brechungsindex wie nachstehend angegeben haben.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 6 bezeichnen D_f den Durchmesser der Lichtwellenleiter 2, D_c den Durch messer des Kerns 21 (der einen mittleren Radius r₁ hat), T₁ die Dicke des Mantels 22 und T₂ die Dicke der Trägerschicht 23. Weiter wird angenommen, daß das faseroptische Element M einen Durchmesser Dm, das Rohr 24 eine Dicke T_s und die Schicht 25 eine Dicke T_p haben.

Gewöhnlich kann das faseroptische Element M aus 10² bis 10⁷, vorzugsweise 10³ bis 10⁶ Vorformlingen für die optischen Fasern, die jeweils kreisförmige Querschnitte und eine dem Querschnitt der Lichtwellenleiter 2 ent sprechende Struktur haben, dadurch hergestellt werden, daß die Vorformlinge in einer geordneten Anordnung in ein Rohr 24 mit einer im Vergleich zum Durchmesser geringen Wanddicke (Fig. 3 und 5) aus natürlichem Sili ciumdioxid-Glas oder synthetischem Siliciumdioxid-Glas, vorzugsweise aus synthetischem Siliciumdioxid-Glas, eingefüllt werden und das erhaltene Verbundelement an schließend gezogen wird. Während des Ziehens werden die Vorformlinge der Lichtwellenleiter aneinander ge schmolzen und dadurch in ihrem Querschnitt unter Bil dung einer hexagonalen oder annähernd hexagonalen Form verformt. Sofern in der folgenden Beschreibung nichts anderes angegeben ist, zeigen die Werte D_f, D_c, T₁ und T₂ typischerweise die Werte entsprechender paralleler Teile mit hexagonalem Querschnitt, wie sie veranschaulicht sind, während für Fasern einer Form, die gegenüber einem Sechseck be trächtlich verformt sind, die angegebenen Werte dieje nigen der entsprechenden anschaulich dargestellten pa rallelen Teile eines Sechsecks sind, das die gleiche Fläche wie die abweichende Form aufweist. Die Vertei lung der Brechzahl (im Folgenden als Brechungsindex bezeichnet) des Kerns 21 wird unter Bezugnahme auf die Fig. 7 unter der Annahme beschrieben, daß der Kern einen Kreisquerschnitt mit dem mittleren Radius r₁ hat. Wenn jedoch der Kern hexagonal ist oder eine andere, vom Kreisquerschnitt abweichende Form hat, ist die Beschreibung so zu interpretieren, daß sie für einen Kreis gilt, dessen Fläche gleich der des Querschnitts des Kerns ist.

Der Kern 21 jedes Lichtwellenleiters 2 nimmt vorzugs weise wenigstens 20% (im Folgenden als Kern-Flächen-Ver hältnis bezeichnet) der Querschnittsfläche der Faser ein. Wenn das Kern-Flächen-Verhältnis kleiner als 20% ist, ist die Menge des durch den Kern 21 zu übertragen den Lichts klein, und es ist schwierig, durch diesen ein helles Bild zu übertragen. Wenn das Kern-Flächen-Ver hältnis zu groß ist, wird der Mantel 22 zu dünn, sofern nicht die Biegsamkeit des faseroptischen Ele ments geopfert wird, was Schwierigkeiten bei der Über tragung scharfer Bilder infolge Dunkelheit bereitet. Demgemäß beträgt das Kern-Flächen-Verhältnis vorzugs weise bis zu 60%, besonders bevorzugt 25 bis 50%.

Unter Bezugnahme auf Fig. 4 betragen die Werte D_f und T₁ etwa 3 bis etwa 16 µm bzw. etwa 0,5 bis etwa 5 µm. In Fig. 6 betragen die Werte D_f, T₁ und T₂ etwa 3 bis etwa 16 µm, etwa 0,3 bis etwa 4 µm bzw. etwa 0,01 bis etwa 2 µm.

Die Kurve in Fig. 7 zeigt die Verteilung des Brechungs index in jedem Kern 21 der Lichtwellenleiter 2, die das faseroptische Element M der Erfindung bilden. Unter Bezugnahme auf die Kurve beträgt die Differenz (Dn) zwischen dem Brechungsindex n₀ des Kerns 21 in seinem Zentrum r₀ (wo der Kern gewöhnlich einen maximalen Brechungsindex hat) und dem Brechungsindex n₁ des Kerns an seinem äußersten Rand r₁ (wo der Kern gewöhnlich einen minimalen Brechungsindex hat), d. h. (n₀-n₁), 0,015 bis 0,060, vorzugsweise 0,02 bis 0,050.

In der durch die Kurve dargestellten Verteilung des Brechungsindex nimmt der Brechungsindex langsam in dem Abschnitt des Kerns von dessen Zentrum r₀ zu dem Teil desselben mit einem mittleren Radius r₂ = 0,65 r₁ ab, wohingegen der Brechungsindex in dem Kernabschnitt, dessen mittlerer Radius im Bereich von r₂ bis r₁ liegt, d. h. dem äußeren Kernabschnitt bis zum äußersten Rand des Kerns, stark abnimmt. Mit anderen Worten, die Än derungen des Brechungsindex in dem Abschnitt von r₀ bis r₂ sind klein. Darüber hinaus ist der Brechungsindex n₂ an der Stelle des Radius r₂ größer als n₁ + 0,5 (Dn) (d. h. wenn Dn 0,025 ist, n₁ + 0,5×0,025 = n₁ + 0,125). Somit ist der Kern 21, obwohl vom Typ eines abgestuften Index in der Verteilung des Brechungsindex, klein in der Verminderung des Brechungsindex und nicht kleiner als ein Wert in diesem Index in dem Abschnitt vom Zen trum r₀ zu dem Radius r₂, so daß der Kern in diesem Abschnitt und auch in einem etwa weiter nach außen gelegenen Bereich desselben eine ausreichend nutzbare Helligkeit aufweist.

Aus diesem Grunde ist es erwünscht, daß der Brechungs index n₂ an der Stelle r₂ der folgenden Bedingung ge nügt (1)

n₂ ≧ n₁ + 0,65 (n₀-n₁) (1)

Zusätzlich zu dem so definierten Brechungsindex n₂ an der Stelle r₂ (= 0,65 r₁) ist es auch wünschenswert, daß die Kurve einen Brechungsindex n₃ an der Stelle r₃ = 0,5 r₁ und/oder einen Brechungsindex n₄ an der Stelle r₄ = 0,33 r₁ hat, die durch die folgenden Aus drücke (2) bis (5) gegeben sind.

n₃ ≧ n₁ + 0,55 (n₀-n₁) (2),

vorzugsweise

n₃ ≧ n₁ + 0,67 (n₀-n₁) (3),

n₄ ≧ n₁ + 0,60 (n₀-n₁) (4),

vorzugsweise

n₄ ≧ n₁ + 0,70 (n₀-n₁) (5).

Die im vorstehenden angegebene Verteilung des Brechungs index des Kerns kann verwirklicht werden durch den Ein satz eines Dotierungsmittels wie etwa Germanium oder Phosphor, das eine Vergrößerung des Brechungsindex von Siliciumdioxid-Glas bewirkt, und Steuerung der Menge des Dotierungsmittels durch VAD, CVD oder dergleichen Verfahren gemäß der speziell angeführten Verteilung des Brechungsindex.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jeder Kern 21 der Lichtwellenleiter 2 nur einen Mantel 22 wie in der Aus führungsform der Fig. 4 oder zwei oder mehr zusätzliche Schichten aufweisen, die sich voneinander in ihren Bre chungsindices unterscheiden, wie aus Fig. 6 zu ersehen ist. Unter dem Gesichtspunkt der Schärfe der übertra genen Bilder ist die Differenz zwischen dem Brechungs index n₁ (gewöhnlich dem minimalen Brechungsindex) des äußersten Teils des Kerns 21 und des Mantels 22 vor zugsweise größer, während der Kern 21 vorzugsweise mit wenigstens zwei Mäntel versehen sein sollte.

Nach der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform kann die Differenz zwischen dem Brechungsindex n₁ des äu ßersten Teils des Kerns 21 und dem Brechungsindex des Mantels 22 0 sein; vorzugsweise ist sie jedoch wenig stens 0,008. Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausfüh rungsform ist es erwünscht, daß der Brechungsindex des Mantels 22 vorzugsweise um wenigstens 0,008 kleiner ist als der minimale Brechungsindex n₁ des Kerns 21 an seinem äußersten Teil und außerdem vorzugsweise um wenigstens 0,004, besonders bevorzugt um wenigstens 0,008, kleiner ist als der Brechungsindex der Träger schicht 23.

Die Mäntel 22 der Fig. 4 und 6 werden vorzugsweise aus einem mit Fluor und/oder Bor oder mit einem primär aus wenigstens einem dieser Elemente bestehenden Do tierungsmittel dotiertem Siliciumdioxid-Glas herge stellt. Andererseits kann die Trägerschicht 23 der Fig. 6 aus einem Siliciumdioxid-Glas hergestellt werden, das mit wenigstens einem der verschiedenen Dotierungsmittel dotiert ist, jedoch ist es wünschenswert, diese Schicht aus Siliciumdioxid-Glas bei einer Ziehtemperatur von wenigstens 1800°C, beispielsweise aus reinem Silicium dioxid-Glas, insbesondere einem mit einer Reinheit von 99,99 Gew.-%, herzustellen.

Im allgemeinen können scharfe übertragene Bilder er halten werden, wenn die in dem faseroptischen Element M innerhalb wenigstens 80% des Radius vom Zentrum ih res Querschnitts vorhandenen Lichtwellenleiter 2 zu einer wabenartigen Struktur aneinander geschmolzen sind, die im größtmöglichen Maße regelmäßig ist, obwohl der Teil innerhalb der 80% des Radius eine lokal ge ringfügig zusammengebrochene Wabenstruktur, dunkle Punkte oder andere Fehler enthalten kann, während die Wabenstruktur nicht immer ein Satz geometrischer Sechs ecke zu sein braucht, sondern auch ein Satz aus leicht deformierten Sechsecken sein kann. Ein solches faserop tisches Element M umfaßt eine relativ kleine Anzahl Lichtwellenleiter 2, z. B. etwa 1000 bis 5000 Fasern, hat einen kleinen Außendurchmesser Dm von bis zu 0,5 mm und eignet sich für medizinische Zwecke, insbesondere als Angioskop.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 5 sind die Schichten 24 vorzugsweise wenigstens etwa 3 um, beson ders bevorzugt 5 bis 20 µm, dick. Die Schicht 25 aus dem verkohlten Material hat eine Dicke von vorzugsweise 2 bis 30 µm, vorzugsweise von 5 bis 20 µm, damit sich das Gerät für medizinische Zwecke, insbesondere als Angioskop, eignet.

Die faseroptischen Elemente der vorliegenden Erfindung sind von Wert als Bildüberträger für Bildsichtgeräte für industrielle und medizinische Anwendungen, insbe sondere für medizinische Bildsichtgeräte, darunter Angios kope und Endoskope für verschiedene Röhren und Gänge im Körper wie die Koronararterie, den Eileiter, die Harn wege und den Gallengang, Gastroskope, Hysteroskope, Zystoskope, Embryoskope, Otoskope, Rhinoskope, Ophthal moskope, Enzephaloskope, Arthroskope, Dental-Bildsicht geräte etc.

Für die Verwendung als die oben erwähnten Endoskope und Angioskope, insbesondere als Angioskope, erfüllen die Bildsichtgeräte der vorliegenden Erfindung vorzugsweise die nachstehenden Forderungen (1) bis (2).

(1) Das faseroptische Element enthält eingearbeitet darin etwa 1000 bis etwa 5000, vorzugsweise etwa 2000 bis etwa 4000, Lichtwellenleiter, und ihr Außendurchmesser nach Fertigstellung einschließ lich der Dicke (T_p) der Faserverstärkungsschicht, d. h. D_m + 2 T_p, beträgt etwa 0,15 bis etwa 0,6 mm.
(2) Das Schutzrohr 5 des Bildsichtgeräts der Fig. 8 hat einen Außendurchmesser bis zu 3 mm, vorzugs weise bis zu 2,5 mm, und hat weiterhin einen Au ßendurchmesser bis zu 1,8 mm über dem 5 bis 15 cm langen vorderen Endteil des Rohres 5.

Für den Einsatz als Endoskope für die gastrointestina len Organe wie Ösophagus, Magen, Darm etc. erfüllen die Bildsichtgeräte der vorliegenden Erfindung vorzugsweise die nachstehenden Forderungen (3) und (4).

(3) Das faseroptische Element enthält eingearbeitet darin etwa 5000 bis etwa 30 000, vorzugsweise etwa 8000 bis etwa 25 000, optische Einzelfasern, und ihr Außendurchmesser nach Fertigstellung ein schließlich der Dicke (T_p) der Schicht, d. h. D_m + 2 T_p, beträgt etwa 0,4 bis etwa 1,2 mm.
(4) Das Schutzrohr 5 des Bildsichtgeräts der Fig. 8 hat einen Außendurchmesser von etwa 3 bis etwa 10 mm, vorzugsweise etwa 4 bis etwa 7 mm.

Für den Einsatz als Hysteroskope, Cystoskope, Embryo skope, Arthroskope und Endoskope für andere Organe, insbesondere für Präzisions-Endoskope an Stelle her kömmlicher Lupen-Sichtgeräte, erfüllen die Bildsicht geräte der vorliegenden Erfindung vorzugsweise die nachstehenden Forderungen (5) und (6).

(5) Das faseroptische Element enthält eingearbeitet darin etwa 30 000 bis etwa 100 000, vorzugsweise etwa 50 000 bis etwa 100 000, Lichtwellenleiter, und ihr Außendurchmesser nach Fertigstellung ein schließlich der Dicke (T_p) der Schicht, d. h. D_m + 2 T_p, beträgt etwa 0,5 bis etwa 3,0 mm, vorzugsweise etwa 1,0 bis etwa 2,5 mm.
(2) Das Schutzrohr 5 des Bildsichtgeräts der Fig. 8 hat einen Außendurchmesser von etwa 2 bis etwa 10 mm, vorzugsweise etwa 3 bis 7 mm.

Beispiele

Die vorliegende Erfindung wird nunmehr im einzelnen mit Hilfe von Beispielen und Vergleichsbeispielen be schrieben. In den folgenden Beispielen und Vergleichs beispielen beziehen sich Angaben in % auf das Gewicht, sofern nichts anderes angegeben ist.

Vergleichsbeispiel 1

Ein Rohr mit einer im Vergleich zu seinem Durchmesser geringen Wanddicke aus reinem Siliciumdioxid-Glas wird mit 3070 Lichtwellenleiter-Vorformlingen in geordneter Anordnung gefüllt, und das erhaltene Verbundelement wurde anschließend bei einer Temperatur von 2100°C gezogen, wodurch ein faseroptisches Element mit einem Außendurchmesser von 240 µm erhalten wurde. Jeder Kern der Lichtwellenleiter mit einem D_c von 2,732 µm in dem faseroptische Element ist aus einem reinen Silicium dioxid-Glas, das mit Germanium dotiert ist, hergestellt und hat eine Brechungsindex-Verteilung entsprechend der Darstellung der Fig. 7 mit den Werten 1,470, 1,473 und 1,478 für die Brechungsindices n₂, n₃ und n₄ an den Stellen r₂, r₃ bzw. r₄ sowie einen Wert 0,028 der Differenz der Brechungsindices zwischen n₀ und n₁. Jede Schicht auf dem Kern ist aus einem reinen Silicium dioxid-Glas, das mit Bor und Fluor dotiert ist, her gestellt, hat einen Brechungsindex von 1,442 und eine Dicke T₁ von 0,892 µm. Jede Trägerschicht auf der Schicht ist aus einem reinen Siliciumdioxid-Glas her gestellt, hat einen Brechungsindex von 1,453 und eine Dicke T₂ von 0,117 µm. Die Schicht hat eine Dicke T_s von 10 µm.

Nach dem Ziehen des faseroptischen Elements wurde ein nachstehend näher bezeichnetes, durch ultraviolette Strahlung härtbares Anstrichmittel auf einmal auf die Faser aufgetragen und dann UV-bestrahlt, wodurch eine transparente Schicht aus gehärtetem Polyurethanacrylat mit einer Dicke von 30 µm gebildet wurde.

Durch ultraviolette Strahlung härtbares Anstrichmittel:
Ein Polyester wurde hergestellt aus 37,1% 1,6-Hexan diol, 16,7% Diethylenglycol, 64,5% Adipinsäure, 11,6% Phthalsäureanhydrid und einer kleinen Menge Dibutylstannyloxid. Ein Polyurethanacrylat wurde her gestellt aus 49,7% des so erhaltenen Polyesters, 29,9% Tolylendiisocyanat, 19,9% 2-Hydroxyacrylat, 1,5% Methanol und einer kleinen Menge Phenothiazin. Dann wurde das durch ultraviolette Strahlung härtbare Anstrichmittel erhalten, das aus 60,0% des so erhal tenen Polyurethanacrylats, 20,0% Trimethylolpropantri acrylat, 7,5% N-Vinylpyrrolidon, 7,5% 2-Ethylhexyl acrylat, 3,0% Benzophenon und 2,0% Dimethylamino ethanol besteht.

Wenn das faseroptische Element mit der daraufbefind lichen transparenten Schicht als Bildüberträger eines Bildsichtgeräts verwendet wird, ist es erforderlich, eine schwarze Abschattungsschicht auf dem äußersten Teil der Faser aufzubringen. Aus diesem Grunde wurde ein schwarzes Anstrichmittel auf die Schicht aufge tragen, wodurch eine schwarze Abschattungsschicht von 10 µm Dicke gebildet wurde. Auf diese Weise ergab sich ein Außendurchmesser der fertigen Faser von 320 µm.

Beispiel 1

Das faseroptische Element aus Vergleichsbeispiel 1 wurde vor dem Auftragen des schwarzen Anstrichmittels durch 15 min Erhitzen auf 300°C in einem mit Stick stoff gefüllten elektrischen Ofen verkohlt. Als Folge davon wandelte sich die ursprüngliche transparente Schicht auf der Faser in eine schwarze Schicht mit einer glatten Oberfläche und einer Dicke von 15 µm um. Auf diese Weise ergab sich ein Außendurchmesser der fertigen Faser von 270 µm.

Der Vergleich der schwarzen Schicht aus Beispiel 1 mit der angestrichenen Schicht des Vergleichsbeispiels 1 zeigt, daß die erstere der letzteren in bezug auf die Abschattungswirkung vergleichbar war. Auf der anderen Seite war erstere der letzteren überlegen in bezug auf mechanische Festigkeit, insbesondere Abriebfestigkeit, Wärmebeständigkeit und Oberflächengleitfähigkeit, und aus diesem Grunde ist das faseroptische Element aus Beispiel 1 leicht in ein enges Volumen eines Katheters einzuführen, da die Schicht ausgezeichnete Oberflächen gleitfähigkeit und mechanische Festigkeit besitzt. Dies ist in ausgeprägter Weise von Vorteil für die Massen herstellung von medizinischen Bildsichtgeräten. Darüber hinaus hat das faseroptische Element des Beispiels 1 einen Außendurchmesser von nur 270 µm, obwohl sie hin sichtlich der Zahl der darin enthaltenen Lichtwellen leitern (3070) der faseroptischen Elemente des Vergleichsbeispiels 1 gleichkommt, die indessen einen Außendurchmesser von 320 µm hat. Dies bedeutet, daß sich das faseroptische Element des Beispiels 1 in einen engeren Querschnitt einführen läßt, so daß es möglich wird, feinere und biegsamere medizinische Bildsicht geräte herzustellen.

Beispiel 2

An Stelle des in Vergleichsbeispiel 1 verwendeten, durch UV-Strahlung härtbaren Anstrichmittels mit Poly urethanacrylat wurde ein nachstehend näher bezeichnetes UV-härtbares Anstrichmittel mit Polyesteracrylat zur Herstellung eines faseroptischen Elements verwendet, die 3070 Lichtwellenleiter enthält, einen Außendurch messer der fertigen Faser von 272 µm hat und eine schwarze verkohlte Schicht mit einer Dicke von 16 µm (Dicke vor dem Verkohlen: 30 µm) mit glatter Oberfläche in ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 aufweist.

Durch ultraviolette Strahlung härtbares Anstrichmittel: Ein Polyester wurde hergestellt aus 13,5% Trimethylol propan, 30,3% Triethylenglycol, 11,9% 1,6-Hexandiol, 44,2% Diadipinsäure und einer kleinen Menge Dibutyl stannyloxid. Ein Polyesteracrylat wurde hergestellt aus 67,5% des so erhaltenen Polyesters, 16,2% Acrylsäure, 0,4% Methansulfonsäure, 15,9% Lactolspiritus und ei ner kleinen Menge Phenothiazin und Nitrobenzol. Dann wurde das durch ultraviolette Strahlung härtbare An strichmittel erhalten, das aus 55,0% des so erhaltenen Polyesteracrylats, 30,0% 1,6-Hexandioldiacrylat, 10,0% N-Vinylpyrrolidon, 3,0% Benzophenon und 2,0% Dimethyl aminomethacrylat besteht.

Beispiel 3

An Stelle des in Vergleichsbeispiel 1 verwendeten, durch UV-Strahlung härtbaren Anstrichmittels mit Poly urethanacrylat wurde ein nachstehend näher bezeichnetes UV-härtbares Anstrichmittel mit Epoxyacrylat-Polymer zur Herstellung eines faseroptischen Elements verwen det, die 3070 Lichtwellenleiter enthält, einen Außen durchmesser der fertigen Faser von 268 µm hat und eine schwarze verkohlte Schicht mit einer Dicke von 13 µm (Dicke vor dem Verkohlen: 30 µm) mit glatter Oberfläche in ähnlicher Weise wie in Beispiel 1 aufweist.

Durch ultraviolette Strahlung härtbares Anstrichmittel:
Bestehend aus 61,5% eines Epoxyacrylat-Polymers (Celanese Chemical Co., Handelsbezeichnung: Celrad 3700), 10,0% Trimethylolpropantriacrylat, 15,0% 2-Ethylhexylacrylat, 5,0% Vinylacetat, 7,0% Benzoin ethylether und 1,5% Isooctylthioglycolat.

Beispiel 4

Nach dem Ziehen eines faseroptischen Elements mit ähn lichem Aufbau wie der in Beispiel 1 verwendeten, jedoch mit einer darin enthaltenen Zahl von 1500 Lichtwellen leitern und einem Außendurchmesser von 200 µm, wurde ein durch ultraviolette Strahlung härtbarer Klebstoff vom Polyurethanacrylat-Typ {Three Bond Co., Ltd., No. 3031, Viskosität bei 25°C: etwa 50 cm²/s (5000 cSt)} direkt auf die Faser aufgetragen, durch Bestrahlen mit UV-Strahlung gehärtet, wodurch eine Schicht von 30 µm Dicke gebildet wurde, und dann durch 10 min Erhitzen auf 310°C in einem mit Luft gefüllten elektrischen Ofen verkohlt, wonach eine schwarze Schicht von 16 µm Dicke mit einer glatten Oberfläche und ausgezeichneter mechanischer Festigkeit erhalten wurde.

Beispiel 5

An Stelle des in Beispiel 1 verwendeten, durch UV-Strahlung härtbaren Anstrichmittels mit Polyurethan acrylat wurde ein nachstehend näher bezeichnetes UV-härtbares Anstrichmittel mit Polyetheracrylat zur Her stellung eines faseroptischen Elements verwendet, die 1500 Einzelfasern enthält, einen Außendurchmesser der fertigen Faser von 226 µm hat und eine schwarze ver kohlte Schicht mit einer Dicke von 13 µm (Dicke vor dem Verkohlen: 30 µm) mit glatter Oberfläche in ähnlicher Weise wie in Beispiel 4 aufweist.

Durch ultraviolette Strahlung härtbares Anstrichmittel:
Bestehend aus 60,0% Polyetheracrylat (Celanese Chemical Co., No. 22382-15), 20,0% Laurylacrylat und 20,0% Isopropylbenzoinether.

Beispiel 6

Nach dem Ziehen eines faseroptischen Elements mit ähn lichem Aufbau wie den in Beispiel 1 verwendeten, jedoch mit einer darin enthaltenen Zahl von 1520 Lichtwellen leitern und einem Außendurchmesser von 200 µm, wurde eine Schicht aus einem in der Hitze gehärteten Poly ester-Harz von 12 µm Dicke in der Weise auf das faser optischen Element gebildet, daß das Auftragen eines üblicherweise für die Herstellung von Magnetdrähten verwendeten Lacks (Liton® 3234 F der Totoku Toryo Co., Ltd., Gehalt an Polyester-Harz: etwa 34%, Lösungs mittel: Cresol und Naphtha) siebenmal wiederholt, 2,8 s auf 350°C erhitzt und dann 30 min bei einer Temperatur von 300°C in einem mit Luft gefüllten elektrischen Ofen verkohlt wurde, wonach eine schwarze Schicht von 8 µm Dicke mit einer glatten Oberfläche und ausge zeichneter mechanischer Festigkeit erhalten wurde.

Beispiel 7

Nach dem Ziehen eines faseroptischen Elements mit ähn lichem Aufbau wie der in Beispiel 1 verwendeten, jedoch mit einer darin enthaltenen Zahl von 1490 Lichtwellen leitern und einem Außendurchmesser von 200 µm, wurde eine Schicht aus einem in der Hitze gehärteten Poly urethan-Harz von 11 µm Dicke in der Weise auf dem faseroptischen Element gebildet, daß das Auftragen eines üblicherweise für die Herstellung von Magnet drähten verwendeten Lacks (Deracoat® U-305-35L der Nitto Electric Industrial Co., Ltd., Gehalt an Polyure than-Harz: etwa 35%, Lösungsmittel: Cresol und Naphtha) siebenmal wiederholt, 1,5 s auf 360°C erhitzt und dann 10 min bei einer Temperatur von 300°C in einem mit Luft gefüllten elektrischen Ofen verkohlt wurde, wonach eine schwarze Schicht von 4 µm Dicke mit einer glatten Oberfläche und ausgezeichneter mechanischer Festigkeit erhalten wurde.

Beispiel 8

An Stelle des in Beispiel 7 verwendeten, Polyurethan lacks wurde ein nachstehend näher bezeichneter Poly urethanlack zur Herstellung eines faseroptischen Elements verwendet, die 1490 Lichtwellenleiter enthält, einen Außendurchmesser der fertigen Faser von 208 µm hat und eine schwarze verkohlte Schicht mit einer Dicke von 4 µm (Dicke vor dem Verkohlen: 12 µm) mit glatter Oberfläche in ähnlicher Weise wie in Beispiel 7 auf weist.

Polyurethan-Lack: Bestehend aus 53,4% stabilem AP, 5,8% Desmophen® 800, 7,5% Desmophen® 1100, 14,0% Cresol und 19,3% Naphtha.

Claims

1. Lichtwellenleiter mit einem aus Glas bestehenden Kern und Mantel und mit einer Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einem Material besteht, das durch Verkohlen eines organischen Harzes erhalten wurde.

2. Faseroptisches Element mit einem Rohr mit im Vergleich zu seinem Außendurchmesser geringer Wand dicke, welches vollständig mit einem Bündel aneinan dergeschmolzener optischer Fasern gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Rohr eine Schicht aus einem Material aufgebracht ist, das durch Verkohlen eines organischen Harzes erhalten wurde.

3. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß die aus einem verkohlten organischen Harz bestehende Beschichtung etwa 2 bis 50 µm dick ist und durch Verkohlen eines organischen Harzes in einem solchen Maße erhalten wird, daß die Dicke der Schicht des organischen Harzes auf etwa 90% oder weniger der ursprünglichen Dicke reduziert wird.

4. Faseroptisches Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einem verkohlten orga nischen Harz bestehende Schicht etwa 2 bis 50 µm dick ist und durch Verkohlen eines organischen Harzes in einem solchen Maße erhalten wird, daß die Dicke der Schicht des organischen Harzes auf etwa 90% oder we niger der ursprünglichen Dicke reduziert wird.

5. Lichtwellenleiter nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern und Mantel aus Quarzglas bestehen.

6. Faseroptisches Element nach Anspruch 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kern und Mantel der op tischen Fasern jeweils aus Quarzglas bestehen.

7. Bildsichtgerät mit einem zur Bildübertragung dienenden faseroptischen Element nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 6.