DE3822885C2 - Optisches Kabel und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Kabel gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung dieses optischen Kabels.

Ein optisches Kabel dieser Art ist aus der DE-OS 21 21 581 bekannt.

Allgemein werden optische Kabel, deren Lichtwellenleiter einen Durchmesser von 0,01 bis 0,02 mm aufweisen, hauptsächlich in Endoskopen vorzugsweise zur Magen-, Darm- und Bronchialröhrenuntersuchung eingesetzt. Dabei unterliegt das optische Kabel einer wiederholten Beanspruchung auf Biegung bei kleinen Biegeradien. Da sich die optischen Fasern des Kabels bei der Biegung nicht dehnen oder zusammenziehen, haben sie bei Kabelbiegung das Bestreben, innerhalb des Kabelmantels sich seitlich zu spreizen, was zu einer unerwünschten Kabeldeformation in Gestalt eines Klapperschlangenkopfes führen kann, wie dies in Fig. 3 der Zeichnungen gezeigt ist. Dabei besteht die Gefahr von Kabelbruch.

Der Bruch einer optischen Faser in einem optischen Kabel führt bei Bildschirmübertragung zu einem schwarzen Punkt auf dem Bildschirm sowie zur Verminderung der Bildhelligkeit, was die Diagnose erschwert.

Um diesen Nachteilen entgegenzuwirken, wurde deshalb bereits vorgeschlagen, die Lichtwellenleiter im optischen Kabel mit einem Gleitmittel zu umgeben, wie dies aus der obengenannten DE-OS 21 21 581 bekannt ist. Als Gleitmittel wird dabei vorzugsweise ein Silikonöl verwendet. Auch die Verwendung von Molybdändisulfidpulver ist bekannt.

Allerdings können sich bei starker Biegung des Kabels die einzelnen Lichtwellenleiter gegeneinander verdrehen oder miteinander verweben, wodurch die ursprüngliche gegenseitige Ausrichtung der optischen Fasern verlorengeht und somit besonders an Stellen mit fehlerhafter Ausrichtung die Gefahr eines Lichtwellenleiterbruches besteht.

Aus der Druckschrift DE 27 28 642 B2 ist es bekannt, bei einem Lichtwellenleiterkabel, dessen Lichtleitfasern in einer losen Hülle angeordnet sind, in diese Hülle eine im Kabel schwach vernetzende Substanz einzubringen, vorzugsweise ein schwach vernetzendes Silikonharz, ein Polyesterharz, einen thermoplastischen Polyurethan-Kautschuk oder ein angequollenes POLYSTYROL-Material in Öl. Dabei ist aus der Druckschrift DE 29 46 027 C2 bekannt, daß ein schwach vernetzendes Silikonharz, wie es beim Lichtwellenleiterkabel nach der vorgenannten Druckschrift DE 27 28 642 B2 als Füllmaterial verwendet wird, eine gelartige Konsistenz annimmt.

Andererseits ist es aus der Veröffentlichung "Kunststoffe" von Prof. Biederbick, 4. Auflage, Vogel-Buchverlag Würzburg, 1977, Seiten 45 und 46, bekannt, die Polymerisation von polymerisierbaren Stoffen durch Inhibitoren zu verzögern oder zu verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Kabel der eingangs genannten Art zu schaffen sowie ein Herstellungsverfahren für ein solches Kabel anzugeben, das eine hohe Flexibilität aufweist und auch bei wiederholter Biegebeanspruchung mit kleinen Biegeradien weder der Gefahr des Kabelbruchs noch des gegenseitigen Verwirrens der Lichtwellenleiter ausgesetzt ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 bzw. durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 14 gelöst.

Das erfindungsgemäße optische Kabel weist den Vorteil auf, daß die einzelnen Lichtwellenleiter verhältnismäßig locker aneinanderliegen, so daß das Kabel auch hoher und häufiger Biegebeanspruchung ohne Beschädigung oder Bruch der Lichtwellenleiter standhält. Andererseits kann ein Zusammenhalten der aneinanderliegenden Lichtwellenleiter doch in einem solchen Maße erzielt werden, daß unter weitgehender Beibehaltung der gegenseitigen Ausrichtung ein gegenseitiges Verwirren oder Verweben der Lichtwellenleiter bei der Kabelbiegung vermieden wird und daher auch hieraus keine Gefahr von Kabelbruch erwächst. Das erfindungsgemäße optische Kabel hat somit auch bei intensiver Beanspruchung eine vergleichsweise lange Lebensdauer ohne Minderung der Präzision der optischen Signalübertragung.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und deren Verwendung in einem Endoskop werden nachfolgend anhand von Fig. 1 und 2 sowie Fig. 4 und 5 der Zeichnungen näher beschrieben.

Darin zeigen

Fig. 1 ein optisches Kabel gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung im Längsschnitt,

Fig. 2 ein optisches Kabel gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung in schematischer Darstellung im Längsschnitt,

Fig. 3 die Deformation eines bekannten optischen Kabels bei Biegung in perspektivischer Darstellung,

Fig. 4 ein Endoskop mit einem erfindungsgemäßen optischen Kabel in Seitenansicht und

Fig. 5 einen Teil von Fig. 4 in vergrößerter Darstellung im Längsschnitt.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Kabels in Anwendung bei der Bildübertragung. Darin bezeichnet 1 ein Bündel von Lichtwellenleitern, nachfolgend auch Faserbündel genannt, das aus einigen zehntausend optischen Fasern besteht, die jeweils einen Durchmesser von vorzugsweise 0,01 mm haben. Die einzelnen Fasern sind an den beiden Enden 1a jeweils aufeinander ausgerichtet und an beiden Enden 1a mit einer rohrförmigen Metallkappe 2 verbunden. Die Fasern sind zunächst frei beweglich in sämtlichen Abschnitten des Faserbündels 1 mit Ausnahme der beiden Enden 1a.

Die Fasern des Faserbündels sind mit einer flexiblen Röhre 3 umhüllt, die beispielsweise aus Silikonharz besteht. Beide Enden der Röhre 3 sind am Umfang der jeweiligen Kappen 2 befestigt und in ihrer Lage durch Anziehen von Gewinden 4 festgelegt.

In demjenigen Teil des Faserbündels 1, das in der Nähe eines Endes 1a (der Bereich, der durch das Bezugszeichen A in Fig. 1 gezeigt ist) liegt, wird eine Gelierflüssig­ keit auf die einzelnen Fasern angebracht, die dann in die flexible Röhre 3 gebracht werden. Eine geeignete Gelierflüssigkeit für den Auftrag auf die Fasern ist flüssiges Silikon, das entweder bei Erhitzung oder bei Aufbewahrung bei normaler Temperatur geliert.

Fig 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorlie­ genden Erfindung, bei dem eine Gelierflüssigkeit ledig­ lich auf die optischen Fasern im peripheren äußeren Grenzbereich des Bün­ dels 1 (welcher durch die gestrichelte Fläche B in Fig. 2 dargestellt ist) aufgebracht ist. Wenn ein optisches Faserbündel mit einem kleinen Kurvenradius gebogen wird, bewegen sich die Fasern in dem Grenzbereich erheblich, während diejenigen in dem achszentralen Abschnitt ständig in einer neutralen Ebene bleiben und sich kaum gegeneinander be­ wegen. Daher tritt selbst dann keine Fehlausrichtung von Fasern in dem Faserbündel auf, wenn die Fasern in dem achszentralen Abschnitt nicht mit einer Gelierflüssigkeit be­ schichtet sind. Daher kann die Dauerhaftigkeit des Faserbündels ebenfalls erheblich durch Beschichten der Fasern mit einer Gelierflüssigkeit lediglich im Bereich ihres Grenzabschnittes des Bündels verbessert werden.

Obwohl dies nicht dargestellt ist, kann die Gelierflüs­ sigkeit auf sämtliche Teile der optischen Fasern in dem Bündel mit Ausnahme der beiden Enden, an denen die Fasern miteinander verbunden sind, aufgebracht werden. Auch ein derartiges Ausführungsbeispiel gehört zur Erfindung.

Das Konzept der Erfindung kann entweder auf ein opti­ sches Faserbündel für die Bildübertragung oder ein op­ tisches Faserbündel für die Beleuchtung oder Belichtung angewendet werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein ausgewählter Abschnitt von optischen Fasern in einem Bündel mit einer Gelierflüssigkeit beschichtet. Wenn dieser Abschnitt des Faserbündels mit einem kleinen Krümmungsradius abgebogen wird, bewegen sich einige hundert bis mehr als tausend Fasern als eine Einheit im Gegensatz zu einer getrennten Bewegung, wobei letztere zu einer Überkreuzung oder Fehlausrichtung führt. Daher zeigt das optische Faser­ bündel gemäß der vorliegenden Erfindung eine exzellente Dauerhaftigkeit und kann wiederholt mit einem kleinen Krümmungsradius ohne Beschädigung der optischen Fasern gebogen werden.

Aufgrund dieser verbesserten Dauerhaftigkeit muß der innere Raum der flexiblen Röhre, die an ein Endoskop angebracht ist und das in ein interessierendes Organ eingesetzt werden soll, nicht unnötig groß gemacht wer­ den, wodurch eine Beschädigung der optischen Fasern ver­ mieden wird. Als Ergebnis werden erhebliche Vorteile dahingehend erzielt, daß die flexible Röhre dünn genug wird, um die Schmerzbelastung des Patienten zu minimieren, oder um mehrere (oder dickere) Elemente in eine flexible Röhre des gleichen Durchmessers einzu­ setzen, so daß große Verbesserungen im Hinblick auf die Nutzbarkeit des Endoskopes realisierbar sind.

Beim optischen Kabel gemäß Fig. 1 kann das optische Faserbündel 1 mit einem feinen Molyb­ dändisulfidpuder über die gesamte Länge beschichtet (d. h. über den durch das Bezugszeichen C in Fig. 1 be­ zeichneten Bereich) und nachfolgend in die flexible Röhre 3 eingebettet werden. Der feine Molybdändisulfidpuder oder Molybdänsulfidstaub dient nicht nur als Schmier­ mittel oder Gleitmittel, sondern gleichfalls als Gelierungsverzögerungsmittel, das das Gelieren des flüssigen Silikongeliermittels, das nachfolgend erläu­ tert wird, verzögert. Molybdändisulfid kann durch an­ dere geeignete Materialien, wie Bornitrid, ersetzt werden.

In dem Teil des Faserbündels 1 nahe dem einen Ende (der durch das Bezugszeichen A in Fig. 1 bezeichnete Bereich) wird flüssiges Silikon, das entweder durch Erhitzen oder durch Beibehalten bei normaler Raumtemperatur geliert, auf die einzelnen Fasern aufgetragen, die dann in die flexible Röhre 3 eingebracht werden. Das flüssige Silikon ist eine auf Dimethylsilikon basierende Flüssigkeit, die einen Platinkatalysator oder einige andere Komponenten enthält, die für die Querverbindungen benötigt werden. Die katalytische Wirkung dieser Mischung wird durch die Anwesenheit von Schwefel, Stickstoff oder einiger anderer Elemente verzögert. Daher wird das Gelieren von flüssi­ gem Silikon verzögert, wenn dieses zusammen mit einer Schwefelkomponente (z. B. Molybdändisulfid) oder einer Stickstoffkomponente (z. B. Bornitrid) anwesend ist.

Bei dem in Frage stehenden Ausführungsbeispiel werden die optischen Fasern, die auf diese Weise mit einem das Gelieren verzögernden Material und mit flüssigem Silikon beschichtet sind, einer Gelierungs­ behandlung durch Erhitzen oder durch Lagern bei normaler Temperatur unterworfen.

Bei diesem Ausführungsbeispiel werden die optischen Fasern durch das teilweise gelierte Flüssigsilikon lockerer miteinander gekoppelt als bei Beschichtung mit einem Klebstoff, jedoch fester miteinander verbunden als bei Beschichtung mit einem Molybdändisulfidpulver oder einem Öl. Wenn dieser Teil des Faserbündels 1 mit einem kleinen Krümmungsradius abgebogen wird, be­ wegen sich einige hundert oder mehr als tausend Fasern als eine Einheit. Daher bewegen sich die Fasern nicht einzeln, so daß eine Überkreuzung und Fehlausrichtung vermieden wird. Ferner steuert das die Gelierung ver­ zögernde Material den Gelierungsgrad des Flüssigsilikons in einer derartigen Weise, daß das gesamte Faserbündel 1 seine Flexibilität behält und eine weichverlaufende Form selbst dann annimmt, wenn es mit einem geringen Krüm­ mungsradius abgebogen wird. Da das flüssige Silikon in einem gewissen Ausmaß geliert, hat es eine beschränkte Fließfähigkeit und fließt nicht aus dem Faserbündel, in dem es durch die unumhüllten Bereiche hindurchtritt.

Ein optisches Faserbündel in einem Endoskop wird mit einem geringen Krümmungsradius lediglich im vordersten Teil abgebogen, der in das interessierende Organ ein­ gesetzt wird. Daher kann die Dauerhaftigkeit des Faser­ bündels 1 erheblich verbessert werden, wenn ein gelieren­ des Flüssigsilikon wenigstens denjenigen Teil des Faser­ bündels umhüllt, der nahe dem einen Ende des Bündels ist, wie dies bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel der Fall ist.

Bei einem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 der vorliegenden Erfindung wird eine Flüssigkeit, die bei Erhitzung oder bei Lagern bei normaler Temperatur geliert, lediglich auf die optischen Fasern in einem achsfernen Grenzbereich des Bün­ dels 1 aufgebracht (das durch die gestrichelte Fläche B in Fig. 2 bezeichnet ist). Ein das Gelieren verzögerndes Mittel beschichtet sämtliche Teile der Fasern. Wenn eine optische Faser mit einem kleinen Krümmungsradius gebogen wird, bewegen sich die Fasern im Grenzbereich erheblich, während diejenigen im Mittenbereich ständig in einer neu­ tralen Ebene bleiben und sich kaum bewegen. Mit anderen Worten wird keine Fehlausrichtung von Fasern in dem Faserbündel herbeigeführt, selbst wenn die Fasern in dem Mittenabschnitt nicht mit einer Gelierflüssigkeit be­ schichtet sind. Daher kann die Dauerhaftigkeit des Faserbündels erheblich durch Beschichtung mit einer Gelierflüssigkeit lediglich in einem Grenzbereich des Bündels der optischen Fasern verbessert werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein ausgewählter Abschnitt der optischen Fasern in einem Bündel mit einer Flüssigkeit beschichtet, die bei Erhitzen oder bei Lagern bei normalen Temperaturen geliert. Wenn dieser Teil des Faserbündels mit einem kleinen Krümmungsradius gebogen wird, bewegen sich einige hundert bis mehr als tausend Fasern als eine Einheit, im Gegensatz zu einer getrennten Bewegung, bei der ein Verwickeln oder Ver­ stricken der Einzelfasern oder eine Fehlausrichtung auf­ treten kann. Zusätzlich wird ein das Gelieren verzögern­ des Material zum Steuern des Grades des Gelierens der Gelierflüssigkeit in einer derartigen Art verwendet, daß das gesamte optische Faserbündel seine Flexibilität bei­ behält. Daher zeigt das optische Faserbündel gemäß der vorliegenden Erfindung eine exzellente Dauerhaftigkeit und kann zyklisch mit einem kleinen Krümmungsradius ohne Beschädigung der optischen Fasern abgebogen werden.

Die Anwendung der Erfindung in einem Endoskop wird anhand von Fig. 4 und 5 erläutert. Bei diesen Ausführungsbeispielen besteht die flexible Röhre 3 aus einem Polyurethanharz.

Die flexible Röhre 3, die aus Polyurethanharz besteht, hat herausstechende Charakteristika, wie beispielsweise hohe Widerstandsfähigkeit und Beständigkeit gegenüber Reibung und chemischer Korrosion. Verglichen mit einer Silikongummiröhre hat eine Polyurethanharzröhre eine besonders hohe mechanische Festigkeit. Die Silikon­ gummiröhre schwillt geringfügig an, wenn sie mit einem flüssigen Silikon gefüllt wird, wie dies bei den obigen Ausführungsbeispielen der Fall ist, wobei jedoch ein derartiges Anschwellen nicht bei einer Polyurethanharz­ röhre auftritt.

Fig. 4 zeigt ein optisches Faserbündel 1, das in ein Endoskop eingesetzt ist. Durch das Bezugszeichen 10 ist ein Einsatzteil des Endoskopes bezeichnet, das aus einem flexiblen Röhrenabschnitt 11 von bekannter Bauweise, einem Krümmungsabschnitt 12, der frei abbiegbar durch Handhabung in einem entfernten Bereich ausgestaltet ist, und einer Sonde 13 besteht, die an der Spitze des Krüm­ mungsabschnittes 12 angebracht ist. Das hintere Ende des flexiblen Röhrenabschnitts 11 ist mit einer Handhabungseinheit 14 verbunden. Das optische Faserbündel 1 ist in den Ansatzteil 10 über seine Ge­ samtlänge eingeschoben. Ein Ende des Faserbündels 1 ist mit der Sonde 13 verbunden, während das andere Ende an einem Okularabschnitt 15 befestigt ist, das an dem Ende der Handhabungseinheit 14 befestigt ist.

Fig. 5 zeigt den Bereich in der Nähe der Sonde 13, an den ein Ende des optischen Faserbündels 1 angeschlossen ist. Durch das Bezugszeichen 13a ist ein metallischer Abschnitt bezeichnet, der zur Gewährleistung der Festigkeit der Sonde dient. Das Bezugszeichen 13 ist ein Synthetikharzabschnitt, der eine elektrische Isolierung gegenüber der Umgebung gewährleistet. Optische Linsen 16, die durch ein Abstandsteil 18 getrennt sind, sind in der Sonde 13 mittels einer Linsenfassung 17 enthalten. Ein Ende 1b des optischen Faserbündels, an das Licht­ strahlen angelegt werden, liegt im Bildfokuspunkt eines Objektivs 16. Das Bezugszeichen 19 bezeich­ net eine Düse, die sich nach außen zu der Fläche des Betrachtungsfensters 20 öffnet. Diese Düse ist an eine Luft/Wasser-Röhre 21 angeschlossen. Das Bezugszeichen 22 bezeichnet einen Zangenkanal, der üblicherweise aus einer Polytetrafluorethylenröhre gebildet ist.

Wenn der Krümmungsabschnitt 12 des flexiblen Röhren­ abschnitts 11 in dem oben beschriebenen Ausführungs­ beispiel abgebogen wird, wird das optische Faserbündel 1 durch den Zangenkanal 22 und weitere Elemente in dem Ansatzabschnitt 10 komprimiert. Jedoch ist die flexible Polyurethanharzröhre 3, mit der das optische Faserbündel 1 umschlossen ist, fest genug und bietet eine ausrei­ chende mechanische Stärke, um einen Bruch der optischen Fasern zu verhindern. Ferner tritt, wie bereits be­ schrieben, keine Schwellung der aus Polyurethan beste­ henden flexiblen Röhre 3 bei Anwesenheit von flüssigem Silikon oder anderen Chemikalien auf, so daß die Dicke und Stärke für eine ausreichend lange Zeitdauer auf­ rechterhalten bleibt, wodurch der gewünschte Schutz der optischen Fasern gewährleistet wird.

Es sei ebenfalls angemerkt, daß die flexible Röhre 3, in der das optische Faserbündel aufgenommen ist, außer mit flüssigem Silikon auch mit feinem Molybdändisulfidpuder, Bornitrid oder anderen geeigneten Materialien gefüllt sein kann.

Claims (14)

1. Optisches Kabel mit

• a) in einer Hülle (3) beweglich angeordneten Lichtwellenleitern, die an ihren Enden miteinander verbunden sind, und
• b) einem die Lichtwellenleiter umgebenden Gleitmittel, dadurch gekennzeichnet, daß
• (c) in die Hülle (3) eingebracht sind:
• - eine die Lichtwellenleiter umgebende gelierfähige Substanz, welche ein Silikonmaterial enthält, und
• - ein die Umwandlung der gelierfähigen Substanz vom flüssigen in den gelartigen Zustand verzögerndes Material, das eine Schwefel- oder Stickstoffkomponente enthält.

2. Optisches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gelierfähige Substanz die vom Gleitmittel bewirkte gegenseitige Verbindung von Lichtwellenleitern verstärkt.

3. Optisches Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gelierfähige Substanz die Lichtwellenleiter nur in einem in der Nähe eines Endes des optischen Kabels liegenden Teilbereich (A) umgibt.

4. Optisches Kabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gelierfähige Substanz nur in einem äußeren Grenzbereich (B) angeordnete Lichtwellenleiter umgibt.

5. Optisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gelierfähige Substanz bei normaler Raumtemperatur geliert.

6. Optisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gelierfähige Substanz bei Erwärmung auf eine über normaler Raumtemperatur liegende Temperatur geliert.

7. Optisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwefelkomponente durch Molybdändisulfid gebildet ist.

8. Optisches Kabel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stickstoffkomponente durch Bornitrid gebildet ist.

9. Optisches Kabel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das die Gelierung der gelierfähigen Substanz verzögernde Material in dem die Lichtwellenleiter umgebenden Gleitmittel enthalten ist.

10. Optisches Kabel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gelierfähige Substanz durch flüssiges Silikon gebildet ist.

11. Optisches Kabel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (3) aus einem Polyurethanharz besteht.

12. Optisches Kabel nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es Bestandteil eines Endoskops ist.

13. Optisches Kabel nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Kabel mit seinem einen Ende in ein Einsatzteil (10) des Endoskops eingesetzt ist und an seinem anderen Ende mit einer Sonde (13) versehen ist.

14. Verfahren zum Herstellen eines optischen Kabels mit einem in einer Hülle angeordneten Faserbündel, bei dem mehrere flexible optische Lichtwellenleiter an ihren Enden miteinander verbunden und mit einem Gleitmittel umgeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß auf die optischen Fasern eine gelierfähige, ein Silikonmaterial enthaltende Substanz aufgebracht und ein das Gelieren dieser Substanz verzögerndes, eine Schwefel- oder Stickstoffkomponente enthaltendes Material verwendet wird.