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Vorrichtung zur Ubertragung won Bildern oder dergleichen Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zur Übertragung von Bildern oder dergl., bestehend aus
einem Bündel selbstfokussierender, aus einem für die Fortleitung optischer oder
elektromagnetischer Wellen geeignetem Material hergestellter Adern, die in der senkrecht
zur Ausbreitungsrichtung der Wellen ge-Legenden Ebene einen Gradienten (Gradientenzahl
a) des Brechzahlindexes n unter fortschreitender Abnahme von der Kittelachse zur
Außenfläche der Ader aufweist.
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Lichtleiterfaserbündel werden in immer stärkerem Maße zur Bildübertragung
auf verschiedenen Gebieten der Technik und Medizin verwendet. Bei solchen Lichtleitern
muß siede einzelne Faser an der Bildeintritts- und Bild-Austrittsebene, also in
den Endquerschnitten des Faserbündels, die gleiche Lagekoordinate haben; denn nur
durch eine derartige geordnete Lage der einzelnen Paserenden ist eine unverfälschte
Bildübertragung möglich.
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Aus der Zeitschrift Electronic Industries, Dez. 1961, Seiten 103 -
108, ist eine Fiberoptik bekannt, deren optisch wirksame Fläche der Querschnittsfläche
eines Fiberglasbündels entspricht.
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Jeder Faser des Lichtleiterbündele kommt dabei die Aufgabe zu, einen
punktförmigen Bildeindruck zu übertragen und diesen Eindruck an ihrem Ende wieder
an der ihr zugeordneten Stelle im Fiberglasbündel zu vermitteln. Je nachdem, ob
man den Querschnitt eines Bündellichtleiters vergrößert oder verkleinert, kann man
eine Vergrößerung oder Verkleinerung eines durch den Lichtleiter übertragenen Bildes
erzielen. Da bei dieser bekannten Faseroptik das Bild rasterweise zusammengesetzt
ist, verliert natürlich das Bild in demselben Maße an Auflösungsvermögen wie die
Vergrößerung des Bildes durch die Vergrößerung des Bildquerschnitts und damit des
Abstandes der Aderenden zunimmt.
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Dem Abbildungsinaßstab in Richtung Vergrößerung sind also sehr brld
Grenzen gesetzt.
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Bei den bisher benutzten, z.B. in der DAS 1 596 717 beschriebenen
Bildübertragungsvorrichtungen bestehen die einzelnen Fasern aus einem Kern von hohem
Brechungs index, welcher mit transparentem Material von niedrigerem Brechungsindex
überzogen ist. Als Material kann transparenter Kunststoff, vorzugsweise Glas, verwendet
werden. Durch die geschilderte Ausbildung der Fasern erreicht man, daß das Licht
nicht aus einer Faser in eine benachbarte Faser übertreten kann, so daß es also
gelingt, die Bildschärfe und den Bildkontrast des übertragenen Bildes bis zu einem
gewissen Grade zu erhalten.
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Der Grad der Auflösung des übertragenen optischen Bildes ist nun sehr
stark abhängig von der Größe des Querschnitts der einzelnen Fasern und der Gleichheit
und Dichte, mit der diese gebündelt sind. Je dünner die Fasern und je kompakter
und gleichmäßiger ihre Anordnung, desto besser ist die Bildauflösung.
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Es fehlte nicht an Versuchen, Verfahren zu finden, mit deren Hilfe
man solche Bildübertragungsvorrichtungen herstellen kann; zu diesem Zweck hat man
u.a. Bündel aus dickeren Pasern hergestellt, deren Durchmesser man unter Wärmeeinwirkung
herabgezogen hat.
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Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, eine Vorrichtung
zur Bildübertragung zu schaffen, mit deren Hilfe ein verhältnismäßig großer Raumwinkel
erfaßt und der Bildeindruck übertragen werden kann. Unter verhältnismäßig groß ist
dabei an ein Maß gedacht, welches den bekannten optischen Einrichtungen zugrundeliegt,
z.B. den typischen Weitwinkel-Objektiven in der Fotographie oder z.B. den Augen,
mit denen manches Lebewesen in der Tierwelt bevorzugt ausgestattet ist; erwähnt
sei hierzu z.B.
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das Pacettenange der Insekten, die bekanntlich einen verhältnismäßig
großen Gesichtswinkel besitzen.
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Es sind selbstfokussierende, aus einem für die Portlei tung optischer
oder elektromagnetischer Wellen geeignetem Material bestehende Adern bekannt, die
in der senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Wellen gelegenen Ebene einen Gradienten
(Gradientenzahl a) des Brechungsindexes n unter fortschreitender Abnahme von der
Mittelachse zur Außenfläche der Ader (r = r0) näherungsweise nach der n = n1 (1
-½ a²r²) aufweisen. Ihre Wirkungsweise beruht darauf, daß ein Lichtstrahl, der ein
Medium mit sich quer zur Ausbreitungsrichtung änderndem Brechungsindex durchläuft,
durch Brechung vom dünneren in das dichtere Medium hineingelenkt wird. Ein schräg
zur Achse der Ader eintretender Strahl wird also in einer Pendellinie dem Aderverlaui
folgen. Bezeichnet man die Randwerte des Brechungsindexes n mit n1 und n2 und den
Radius der Ader mit rO, so kann man a² ersetzen durch 2 n1-n2 a² = --- ------ .
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r0² n1 Man sieht, daß der Brechzahlgradient a2 sowohl von rO als
auch von n1 und n2 abhängt. Adern der beschriebenen Art sind bekanntlich als Abbildungselemente
geeignet, d.h., optische Bilder, die man mit der vorderen Stirnfläche einer Ader
auffängt, erscheinen bei richtig dimensionierter Länge der Ader auf der hinteren
Stirnfläche nieder und können so auch um beliebige Kurven gelenkt werden.
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Die Vorgänge in der Ader bei der Bildübertragung können auf folgende
Weise erklärt werden. Von einem beliebigen Punkt yO in der Eingangs ebene x = 0
gehe ein Strahlerlbüschel mit einem kontinuierlich veränderlichen Neigungswinkel
t aus.
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Fragt man nun danach, ob es einen Querschnitt x gibt in welchem sich
das Strahlenbüschel wieder vereinigt, so gelangt man zu dem Ergebnis, daß in der
Bahnkurvengleichung
y = y0 cos as + a° sin ax der zweite Summand
verschwinden muß. Dies ist der Fall bei Xm = m W für m = 0, 1, 2 Eine punktförmige
Abbildung kommt also nur dann zustande, wenn die Ader Vielfache von Xr/a lang ist.
Das Bild steht für geradzahlige Vielfache aufrecht und ist für ungeradzahlige Vielfache
verkehrt. Dieser Satz gilt auch für Objekte außerhalb der Ader. Eine Ader, die der
genannten Bedingung genügt, kann als Abbildungssystem verwendet werden und überträgt
optische Bilder auch über Krümmungen. Dabei ist die Apertur einer inhomogenen Ader
eine wichtige, für das Gesichtsfeld und für die Helligkeit der Abbildung maßgebliche
Größe.
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Die Apertur wird durch den größtmöglichen Einfallswinkel eines Lichtstrahles
auf die Eintrittsfläche bestimmt, für den der pendelnde Strahl gerade noch den Rand
der Ader, nämlich bei y = r streift. Die Apertur kann durch die Beziehung A = na
sin yO n1rOa (na = (na Brechzahl im Außenraum, n1 = Brechzahl des Aderwerkstoffes)ausgedrückt
werden Ersetzt man in dieser Beziehung den Wert a durch die entsprechende Beziehung
mit den Werten n und rn, so kann man auch schreiben
Um einen großen Abbildungswinkel zu erhalten, muß demzufolge die Apertur A groß
sein.
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Will man also dt inhomogene Ader für Abbildungezwecke benützen, so
empfiehlt sich ein möglichst großer Gradientenbeiwert a2, d.h. man muß den Brechzahlunterschied
möglichst groß machen. Hier zeigt sich, daß von der technologischen und Physikalischen
Seite her gewisse Grenzen gesetzt sind und eine Bildübertragung mit Weitwinkelwirkung
nicht ohne weiteres möglich erscheint; denn die Apertur kann nicht beliebig groß
gewählt werden.
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Die Erfindung soll hier Abhilfe schaffen.-Bei der Vorrichtung der
eingangs beschriebenen Art weisen die Adern erfindungsgemäß eine Apertur geeigneter
Größe auf, behalten ihre Lage
im Querschnitt des Bündels genau bei
und sind wenigstens an einem Ende des Bündels auseinander3trebend derart aufgespreizt
und bearbeitet, daß die Stirnfläche jeder Ader in einer ebenen oder gewölbten Endfläche
des Faserbündels gleichmäßig verteilt und an einem ihrer Lage im Querschnitt des
Bündels entsprechenden Ort dieser Fläche liegt. In vorteilhafter Weise wird der
Aperturwinkel jeder Ader so groß gewählt, daß sich die Begrenzungslinien der Aperturwinkel
benachbarter Adern in der Bildebene bzw. Bildfläche schneiden.
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Die Zwischenräume zAschn den Aderenden werden vorteilhafterweise zwecks
B-vseugung einer glatten Endfläche des aufgespreizten Bündel endes mit einem geeigneten
Kunststoff aufgefüllt. Das Ende des Aderbündels kann insbesondere nach der Art eines
Facettenauges ausgebildet werden. Die Vorrichtung nach der Erfindung hat besondere
Bedeutung beispielsweise bei der Übertragung von Panoramabildern, Unterwasseraufnahmen
für meeresbiologische Zwecke, bei der Meeresforschung us.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher
erläutert.
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Pigur 1 zeigt einen Lä.ngsschnitt einer Vorrichtung zur Übertragung
von Bildern, die aus einem Bünde 1 von selbstfokussierenden Adern 2 besteht. Die
Adern 2 halten im Querschnitt des Bündels ihre Lage bei und werden an ihrem Ende
auseinanderstrebend derart aufgespreizt, daß die Stirnfläche 3 jeder Ader in der
gewölbten Endfläche 4 des Äderbündels 1 gleichmäßig verteilt und an einem ihrer
Lage im Querschnitt des Bündels entsprechenden Ort dieser Endfläche liegt. Die Endfläche
4 ist vorteilhafterweise geschliffen ausgebildet.
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Selbstverständlich kann die Endfläche 4 auch weiter umfassend als
dargestellt, z.E. kugelförmig, ausgebildet werden und zwar soweit, daß die außenliegenden
Adern praktisch wn 1800 gegenüber derjenigen Richtung, aus der sie kommen, verlaufcii.
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Damit nun alle Einzelheiten eines Bildeindrucke durch die Vorrichtung
übertragen werden können, soll, wie in Fig.2 gezeigt, der Aperturwinkel 50 jeder
Ader 2 so groß gewählt werden, daß sich die Begrenzungslinien 5 des Aperturwinkels
benachbarter Adern vorzugsweise in der Nähe der Bildebene 6 schneiden. Auf diese
Weise wird es möglich, daß ein in der Bildebene 6 vorhandenes Bild praktisch lückenlos
erfaßt wird, obwohl die Stirnflächen 3 der einzelnen Adern in der Endfläche 4 verhältnismäßig
weit auseinander liegen. Dieselben Vorteile ergeben sich natürlich auch dann, wenn
der aufgenommene Bildeindruck wieder vermittelt werden soll.
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In Fig.3 ist i; der Aufbau einer Bildübertragungsvorrichtung gezeigt.
Sie besteht aus dem Lichtleiterbündel 7 mit dem aufgespreizten Ende 8, das beispielsweise
nach der Art eines Facettenauges ausgebildet sein kann und imstande ist, Panorama-Bilder
zu erfassen; in dem Gerät 9 kann die Auswertung der über das Lichtleiterbündel 7
übertragenen Bildeindrücke erfolgen. Die Anordnung kann mit Vorteil z.B.
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bei der Meeresforschung eingesetzt werden. Das Gerät 9 braucht hierbei
nicht wasserdruckfest abgedichtet zu werden.
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Es entstehen im Gerät 9 Bilder, zusammengesetzt aus kleinen Bildabsehnitten
einer einzelnen Faser, wobei jeder dieser Bildaussohnitte einem bestimmten Raumwinkel
zugeordnet ist.
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Die Umsetzung und Weiterverarbeitung der über das Bündel 7 gelieferten
Informationen erfolgt also oberhalb der Wasseroberflache 10 im Gerät 9.
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4 Patentansprüche 3 Figuren