DE2751058C2

DE2751058C2 -

Info

Publication number: DE2751058C2
Application number: DE2751058A
Authority: DE
Inventors: William E. Fort Lauderdale Fla. Us Glenn
Original assignee: New York Institute Of Technology Old Westbury Ny Us
Current assignee: New York Institute Of Technology Old Westbury Ny Us
Priority date: 1976-11-26
Filing date: 1977-11-15
Publication date: 1987-08-13
Also published as: JPS53101444A; DE2751058A1; GB1589638A; JPS6143681B2; NL7713061A; CA1074280A; US4116739A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Faseroptik.

Es ist bereits ein Verfahren zur Herstellung einer Faseroptik bekannt (US-PS 39 09 109), wobei die Enden der Lichtleiter in der Austrittsfläche in einem größeren Abstand im Vergleich zu den Enden der Lichtleiter in der Lichteintrittsfläche angeordnet sind, und wobei die Endflächen der Lichtleiter in der Austrittsfläche in einer Ebene liegen, die rechtwinklig zu der Ebene durch die Endflächen in der Eintrittsfläche verläuft. Dabei wird noch als nachteilig angesehen, daß ein verhältnismäßig großer Arbeitsaufwand zur Herstellung einer derartigen Faseroptik erforderlich ist. Entsprechendes gilt auch für eine andere bekannte Faseroptik, die aus zwei keilförmigen Blöcken aus faserförmigen Lichtleitern zusammengesetzt ist (US-PS 34 02 000), wobei der erste Block zur Vergrößerung einer Abbildung in einer ersten Dimension und der zweite Block zur Vergrößerung einer Abbildung in der zweiten Dimension dient. Die beiden Blöcke sind über den Strahlengang ablenkende Schichten miteinander verbunden. Dadurch ergibt sich der weitere Nachteil, daß die faserförmigen Lichtleiter nicht kontinuierlich ausgebildet werden können und daß durch die ablenkenden Schichten zusätzliche Lichtverluste verursacht werden.

Es ist ferner bereits eine Faseroptik bekannt (US-PS 30 43 910), bei der im wesentlichen in einer Richtung verlaufende Lichtleiter durch vertikal angeordnete streifenförmige Abstandshalter voneinander getrennt werden, und wobei zur Erzielung einer geeigneten Vergrößerung ein Anschneiden des Faserbündels unter spitzem Winkel am Austrittsende vorgesehen ist. Eine Kombination der aus dieser Vorveröffentlichung bekannten Maßnahmen mit anderen bekannten Maßnahmen der eingangs genannten Art zum Zwecke der Vereinfachung der Herstellung einer Faseroptik erscheint nicht ohne weiteres möglich.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein einfaches Verfahren zur Herstellung einer Faseroptik anzugeben, die ausgangsseitig ein vergrößertes Anzeigefeld aufweist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 beziehungsweise des Patentanspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen derartiger Verfahren sind Gegenstand der Ansprüche 3 und 4.

Besondere Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung sind neben der Erzielbarkeit verringerter Herstellungskosten darin zu sehen, daß eine kompakte Anordnung der Vielzahl von Lichtleitern möglich ist, ohne daß eine zu starke mechanische Beanspruchung der Lichtleiter bei der Ausbildung des vergrößerten Anzeigefelds verursacht wird. Dazu trägt insbesondere die verhältnismäßig geringe Anzahl von erforderlichen Verfahrensschritten bei, die eine genaue Wiederholbarkeit und Verringerung des Materialbedarfs ermöglicht.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zur Erläuterung anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine Perspektivansicht einer Anzeigeeinrichtung (Faseroptik),

Fig. 2 eine Schnittansicht entlang den Pfeilen 2-2 in Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Ansicht einiger Fasern der in Fig. 1 gezeigten Anzeigeeinrichtung zur Erläuterung des Aufbaus der Fasern,

Fig. 4A bis 4E Darstellungen zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens, und

Fig. 5A bis 5C Darstellungen zur Erläuterung eines weiteren Herstellungsverfahrens.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der Anzeige- oder Wiedergabeeinrichtung (Faseroptik), die erfindungsgemäß hergestellt ist. Die Anzeigeeinrichtung, die in Fig. 1 mit 10 bezeichnet ist, weist eine Licht-Eingangsfläche 20 auf, die jeweils durch Enden 31 mehrerer länglicher, optischer Lichtleiter 30, beispielsweise in Form von Fasern, festgelegt ist. Die Enden 31 sind unter Einhaltung eines relativ kleinen Abstandes in vertikalen und horizontalen Reihen angeordnet. Die Eingangsfläche 20 ist im wesentlichen eben, kann jedoch auch gegenüber der dargestellten, ebenen Ausbildung in bestimmtem Umfang abgeändert werden, um an die Form derjenigen Einrichtung angepaßt zu werden, von der ein Bild übertragen werden soll. Eine Licht-Ausgangsfläche 40 steht im wesentlichen senkrecht zur Eingangsfläche 20 und wird durch die anderen Enden 41 der Fasern 30 festgelegt. Die Faserenden 41 sind nach Fig. 1 in einer aus horizontalen und vertikalen Reihen bestehenden Anordnung vorgesehen, wobei die Faserenden 41 Abstand zueinander einhalten und in bestimmter Entfernung zu den Faserenden 31 liegen. Die Fasern der Anzeigeeinrichtung oder Sichtanzeigeeinrichtung 10 sind in einem Trägermaterial 50 eingebettet, welches nachstehend noch näher erläutert wird. Die in den Figuren gestrichelt eingezeichneten Linien zeigen die Wege der Fasern und die gepunktet eingezeichneten Linien verdeutlichen, daß weitere Reihen solcher Fasern vorgesehen sind, die jedoch wegen des besseren Verständnisses nicht dargestellt sind.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird die in Fig. 1 gezeigte linke vertikale Reihe der Fasern, die sich in der Eingangsfläche 20 befindet, als vertikale Reihe 1 der Eingangsfläche bezeichnet. Jeder optische Leiter, bzw. jede Faser dieser vertikalen Reihe erstreckt sich über eine Länge nach hinten, die durch die hinterste Kante der Ausgangsfläche 40 (Fig. 3) in etwa bestimmt ist; der Ausdruck "Länge" ist auf die Eingangsfläche 20 bezogen. Die anderen Enden der Fasern der vertikalen Reihe 1, die in der Ausgangsfläche 40 liegen, ergeben in der Ausgangsfläche 40 eine (vertikale) Reihe, die mit 1′ in Fig. 1 angedeutet ist.

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht entsprechend den Pfeilen 2-2 in Fig. 1, wobei die Fasern der vertikalen Reihe 1 etwa an ihrem am weitesten hinten gelegenen Punkt dargestellt sind und es ist ersichtlich, daß sich jede Faser seitlich an einem Punkt umbiegt, welcher der größten Länge gegenüber der Fläche 20 entspricht, so daß jede Faser in eine Richtung umgebogen ist, die im wesentlichen parallel zur Eingangsfläche 20 liegt. Die anderen Enden dieser Fasern bilden die Reihe 1′ in der Ausgangsfläche 40. Die Reihe 1′, die der vertikalen Reihe 1 entspricht, liegt ersichtlicherweise dann ebenfalls in vertikaler Richtung, wenn die Darstellung nach Fig. 1 etwa um 90° im Uhrzeigersinn gedreht wird.

Die nächste vertikale Reihe von Fasern in der Eingangsfläche, die als vertikale Reihe 2 bezeichnet ist, verläuft über eine gegenüber der vertikalen Reihe 1 etwas kleinere Länge nach hinten; jede Faser der vertikalen Reihe 2 ist dann seitlich an dem Punkt der größten Länge in eine Richtung umgebogen, die ebenfalls im wesentlichen parallel zur Eingangsfläche 20 liegt. Jede vertikale Reihe von Fasern erstreckt sich infolgedessen von der Eingangsfläche 20 über eine Länge nach hinten, wobei diese Länge von der Position der betreffenden vertikalen Spalte in der Anordnung der Spalten abhängt. Zum Beispiel verläuft die Spalte 1 über einen größeren Betrag nach hinten, die Spalte 2 über einen etwas kleineren Betrag, usw. und die letzte vertikale Spalte, die mit n bezeichnet ist, erstreckt sich über die kleinste Länge von der Fläche 20 nach hinten.

Jede Faser jeder vertikalen Reihe biegt sich an der Stelle der größten Länge gegenüber der Fläche 20 in eine Richtung, die im wesentlichen parallel zur Eingangsfläche 20 liegt. Die Fasern jeder vertikalen Reihe haben daher gegenüber den Fasern der anderen vertikalen Reihe unterschiedliche Länge und jede Faser jeder vertikalen Reihe endet an einer Position, welche abhängig ist von der Reihenfolge in der horizontalen Reihe, so daß die anderen Enden 41 bzw. durch letztere gebildeten Flächen der Fasern der vertikalen Reihen entsprechende vertikale Reihen in der Ausgangsfläche 40 festlegen, die unter einem Winkel, der kleiner als 90° ist, gegenüber der Ebene der vertikalen Reihen in der Eingangsfläche liegen, wodurch eine keilförmige Platte hervorgerufen wird. Dies bedeutet, daß die durch die vertikalen Reihen 1′ bis n′ definierte Fläche 40 unter einem Winkel, der kleiner ist als 90°, gegenüber den Ebenen geneigt ist, die durch die vertikalen Reihen 1 oder 2 usw. definiert sind. Fig. 2 läßt erkennen, daß die obere Faser der vertikalen Reihe 1 an einer Position endet, die zur durch Reihe 1 gebildeten Ebene kleineren Abstand hat, als die nach unten nächstfolgende Faser der gleichen vertikalen Reihe 1; dies bedeutet, daß die Länge der Fasern entsprechend Fig. 2 in der in Fig. 2 gezeigten Richtung von oben nach unten zunimmt. Die Länge der Fasern in Querrichtung ist in Fig. 2 mit Q _L angedeutet und für die oberste Faser der vertikalen Reihe 1 eingetragen. Abhängig von der Reihenfolge der Fasern in der vertikalen Reihe variiert somit die Querlänge Q _L und die Höhe der Ausgangsfläche 40 ändert sich gleichmäßig, was zu einer kompakten, keilförmigen Anzeigeplatte führt.

Die Fig. 4A bis 4E zeigen die einzelnen Verfahrensschritte bei der Herstellung der in Verbindung mit Fig. 1 erläuterten Anzeigeeinrichtung. Zur Herstellung der Anzeigeeinrichtung 10 wird eine Vielzahl von optischen Leiterelementen, beispielsweise optischen Fasern oder Fäden verwendet, die parallel zueinander liegen und in kleinem Abstand zueinander angeordnet sind. Da diese Fäden mit fester bzw. großer Länge verwendet werden, ist es vorteilhaft, ein Band 101 zu verwenden, wie dies beispielsweise in Fig. 4A gezeigt ist und welches eine Vielzahl von in gleichmäßigem Abstand zueinander und parallel zueinander liegenden Fasern 30 enthält, die von einem Trägerelement 102 gehalten werden. Dieses Band 101 kann entweder auf eine Spule aufgespult sein oder in anderer Form verfügbar sein, infolgedessen feste Längen dieses Bandes leicht abgespult oder abgewickelt werden können.

Das Band 101 mit den optisch leitenden Fasern wird um ein relativ flaches Abstandselement 110 gewickelt, wie aus Fig. 4B hervorgeht. Diese und die folgenden Wickelschritte werden dadurch erreicht, daß das Abstandselement 110 in Drehung versetzt wird und als sich drehende Platte dient, die um eine Achse Z gedreht wird. Die Wickelschritte können andererseits auch dadurch ausgeführt werden, daß die das Band tragende Einheit, beispielsweise eine Spule, auf welche das Band aufgewickelt ist, spiralförmig um das Abstandselement 110 bewegt wird. Nachdem das Band einmal um das Abstandselement 110 herumgelegt ist, wird ein geeignetes Verkapselungs- oder Bindematerial, beispielsweise Kunststoff oder Kunstharz, auf und zwischen die Fasern 30 verbracht. Weitere, relativ flache Abstandselemente werden dann über den vorher gewickelten Fasern angeordnet; entsprechend Fig. 4C wird beispielsweise ein Abstandselement 111 auf eine freiliegende Fläche des Bandes 101 aufgesetzt und ein Abstandselement 112 auf die andere freiliegende Fläche des Bandes 101. Dann werden die Fasern wieder über die weiteren Abstandselemente, d. h. zuerst über das Abstandselement 112 und dann über das Abstandselement 111 gelegt, indem beispielsweise eine weitere Drehung der Platte 110 ausgeführt wird. Die Hinzufügung weiterer Abstandselemente und die darauf folgende spiralförmige Aufwicklung werden dann in beliebiger Zahl wiederholt, um den in Fig. 4D gezeigten Aufbau zu erreichen, die eine Seitenansicht wiedergibt. Daraufhin wird die in Fig. 4D gezeigte Anordnung entlang der durch das erste Abstandselement 110 festgelegten Ebene getrennt, die durch Pfeile 4 E-4 E in Fig. 4D gezeigt ist. Auf diese Weise werden zwei zueinander identische Abschnitte erhalten, von denen einer in Fig. 4E gezeigt ist. Die Platte oder das Abstandselement 110 ist wiederverwendbar und wird vorzugsweise während der Trennung bzw. des Schnittes durch den Aufbau nach Fig. 4D entfernt, so daß eine in Fig. 4E gezeigte Aussparung 105 erhalten wird. In diesem Fall kann vor dem weiteren Umwickeln entsprechend Fig. 4B ein Paar von Abstandselementen auf einander gegenüberliegenden Seiten des Abstandselementes 110 angeordnet und an den zuerst gewickelten Fasern befestigt werden; diese Abstandselemente bilden dann das Material an der Wand der Aussparung 105 der beiden Abschnitte der getrennten Konstruktion. Jeder Abschnitt, der sich aufgrund einer Trennung der in Fig. 4D gezeigten Konstruktion ergibt und der in Fig. 4E gezeigt ist, wird dann unter einem Winkel entlang der Schnittebene getrennt, die in Fig. 4E durch die Pfeile 1-1 gezeigt ist. Die Trennung, die durch die gebrochenen Linien in Fig. 3 angedeutet ist, ergibt dann ein Paar von keilförmigen Anzeigeeinrichtungen entsprechend Fig. 1.

Der Abstand zuwischen den Faserenden in der Ausgangsfläche 40 ist durch S _x (in horizontaler Richtung) und S _y (in vertikaler Richtung) in Fig. 1 eingetragen. Der Abstand S _x ist durch die Dicke der Abstandselemente zuzüglich der Dicke der Fasern festgelegt. Der Abstand S _y ergibt sich aus der folgenden Gleichung:

wobei W die Breite des Bandes 101, M der Vergrößerungsfaktor, M · W die Länge des Abstandselementes und N die Zahl der Fasern des Bandes bedeuten. Der Vergrößerungsfaktor M, d. h. das Verhältnis zwischen der Länge des Abstandselementes und der Breite des Bandes, wird so gewählt, daß der jeweils gewünschte Vergrößerungsfaktor erhalten wird. Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird für die Abstandselemente schwarzes Papier mit einer Dicke M · (Dicke des Bandes) verwendet, so daß eine Vergrößerung M in der Richtung S _y erreicht wird. Die Verwendung eines schwarzen Papiermaterials zwischen den Fasern des Bandes und für das Abstandsmaterial erleichtert das Erkennen eines vergrößerten Bildes in einer relativ hellen Umgebung, da die Faserenden in der Ausgangsfläche von einer größeren, lichtabsorbierenden und nicht reflektierenden Fläche umgeben sind, welche die Helligkeit oder Beleuchtung der Umgebung daran hindert, den Betrachter des angezeigten oder dargestellten Bildes zu erreichen. Während der Herstellung kann ein geeignetes Bindemittel zwischen den umgewickelten Schichten vorgesehen werden und dann durch Erwärmung vor der Trennung des hergestellten Aufbaus ausgehärtet werden. Nach den Trennungsvorgängen kann jede sich daraus ergebende Anzeigeeinrichtung durch geeignetes Polieren, Lackieren od. dgl. fertiggestellt werden.

Aus Fig. 2 ergibt sich, daß die Enden der Fasern an der Ausgangsfläche nicht in senkrechtem Winkel zur Ausgangsfläche selbst stehen. Wenn die Fasern sehr kleine Durchmesser haben, wird das von ihnen austretende Licht relativ isotrop, d. h. in etwa in allen Richtungen gleichmäßig verteilt bzw. gestreut. Wenn jedoch relativ große Fasern, d. h. Fasern mit großem Durchmesser verwendet werden, kann es erwünscht sein, die Enden der Fasern so auszurichten, daß sie im wesentlichen senkrecht zur Ausgangsfläche stehen. Eine Möglichkeit, dieses zu erreichen, besteht in der Verwendung von Abstandselementen, die einen in Diagonalrichtung liegenden Spalt enthalten, wie dies in Fig. 5A gezeigt ist. Dieser Spalt entspricht der Lage der Trennungsebene 1-1 in Fig. 4E. Wenn das Band 101 über das Abstandselement gewickelt ist, werden zwei Segmente 120 A, 120 B des Abstandselements geringfügig entlang der in Diagonalrichtung liegenden Bezugsebene verschoben, wie dies durch die Pfeile 125 und 126 in Fig. 5B gezeigt ist. Die Größe der Verschiebung muß ausreichen, um die Fasern in dem Spalt so auszurichten, daß sie senkrecht zu einer durch die Mitte des Spaltes verlaufenden Ebene stehen. Wenn dies ausgeführt ist, wird der Spalt mit einem geeigneten Material, beispielsweise Kunstharz, ausgefüllt, und dieses Material wird ausgehärtet. Nach der Trennung dieses Aufbaus, beispielsweise entlang der Linien 1′-1′ in Fig. 5B wird eine Anzeigeeinrichtung erhalten, wie sie in Fig. 5C dargestellt ist und die sich gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet; die Faserenden in der Ausgangsfläche stehen dabei senkrecht zur Ausgangsfläche. Eine Möglichkeit, die in den Fig. 5A bis 5C dargestellte Technik auszuführen, besteht darin, getrennte Platten anstelle einer einzigen Platte oder eines einzigen Abstandselementes 110 nach Fig. 4B zu verwenden. Die Abstandselemente werden dann entsprechend Fig. 5A stapelförmig über den gespaltenen bzw. getrennten Abstandselementen während des Aufwicklungsschrittes angeordnet und an diesen Abstandselementen durch geeignete Mittel befestigt. Nach Beendigung des Herstellungsvorganges werden dann die Platten in der in Fig. 5B gezeigten Weise verschoben, wodurch alle Segmente der Abstandselemente ebenfalls verschoben werden. Die Einführung von Füllmaterial und die nachfolgende Trennung kann dann in der vorstehend erläuterten Weise ausgeführt werden.

Vorzugsweise werden die Abstandselemente stapelförmig an beiden Seiten des ersten Abstandselementes während des Wicklungsvorganges angeordnet bzw. aufgelegt, um auf diese Weise vier Anzeigeeinrichtungen zu erhalten; wenn jedoch die Abstandselemente nur auf einer Seite stapelförmig angeordnet bzw. aufgesetzt werden, lassen sich aus jeder derartigen Konstruktion zwei Anzeigeeinrichtungen erhalten.

Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die dort dargestellte Anzeigeeinrichtung eine Spiegelbild-Umkehr des Eingangsbildes ausführt; es können jedoch geeignete Mittel eingesetzt werden, um diese Umkehrung auszuschließen. Anstelle der Aufwicklung von teilweise oder vollständig befestigten Bändern können auch einzelne Fasern schichtweise aufgewickelt werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer Faseroptik, das folgende Schritte in der angegebenen Reihenfolge umfaßt:

a) einlagiges Wickeln einer Mehrzahl von in kleinem Abstand und im wesentlichen parallel zueinander angeordneten faserförmigen Lichtleitern (30) auf ein erstes flaches Abstandselement (110),
b) Anordnen eines weiteren flachen Abstandselements (111) auf der zuvor gefertigten Lichtleiter-Lage und Wickeln einer weiteren Lichtleiter-Lage,
c) Wiederholen des vorgenannten Schrittes in der gewünschten Vielfalt,
d) Durchtrennen der erhaltenen Anordnung entlang der durch das erste flache Abstandselement (110) festgelegten Ebene,
e) Durchtrennen des die weiteren Abstandselemente (111) enthaltenden Teils in einer Ebene, die zur Bildung eines keilförmigen Endbereichs zu der durch die Abstandselemente (111) festgelegten Ebene in Richtung der Lichtleiter (30) unter einem Winkel geneigt ist, der kleiner als 90° ist (Fig. 4).

2. Abgeändertes Verfahren nach Anspruch 1, bei dem beim Schritt b) zu beiden Seiten des ersten Abstandselements (110) je ein weiteres Abstandselement (111) angeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufwickeln der Lichtleiter (30) das erste Abstandselement (110) um eine Achse gedreht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Schritt b) in Diagonalrichtung, welche der Richtung der Trennebene gemäß Schritt e) entspricht, durch einen Spalt getrennte Abstandselemente (111) verwendet werden und vor Durchführung des Trennens nach Schritt e) die beiden Segmente (120 A, 120 B) des Teils entlang der Diagonalrichtung geringfügig derart gegeneinander verschoben werden, daß im Bereich der Trennebene die Lichtleiter (30) senkrecht zur Trennebene ausgerichtet sind.