DE3014407C2

DE3014407C2 - Optisches Bildleitfaserbündel

Info

Publication number: DE3014407C2
Application number: DE19803014407
Authority: DE
Inventors: Tetsumaru Hachioji Tokyo Kubota
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1979-04-12
Filing date: 1980-04-11
Publication date: 1983-05-11
Also published as: DE3014407A1; JPS55135805A

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Bildleitfaserbündel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein optisches Bildleitfaserbündel enthält im allgemeinen eine Anzahl von optischen Fasern, die lang sind, aber nur einen kleinen Durchmesser besitzen, und die als Bündel von einer zylindrischen Hülle umgeben werden.

F i g. 1 und 2 zeigen schematisch ein Beispiel eines bekannten optischen Faserbündels in vergrößertem Maßstab. Jede optische Faser 1 enthält einen langen Kern 2 mit kreisförmigem Querschnitt und eine Umkleidung 3, die den Kern 2 umgibt und eine glatte Außenfläche besitzt, Lichtstrahlen treten am einen Ende der optischen Faser ein.

In F i g. 2 ist dargestellt, daß die Lichtstrahlen /, die in dem Kern am einen Ende des Faserbündels mit einem Auftreffwinkel θι eintreten, gebrochen werden und an der Umkleidung 3 mit einem Einfallswinkel ankommen, der nicht kleiner ist als der kritische Winkel zwischen dem Kern 2 und der Umkleidung 3. Diese Lichtstrahlen / werden total an der Grenze zwischen dem Kern 2 und der Umkleidung 3 reflektiert und treten am anderen Ende ohne Intensitätsverlust aus, Wenn jedoch Lichtstrahlen m in den Kern 2 mit einem Auftreffwinkel Θ2 eintreten, werden sie ebenfalls gebrochen und treten in die Umkleidung 3 mh einem Einfallswinkel ein, der größer als der oben erwähnte kritische Winkel ist Diese Lichtstrahlen werden teilweise an der Grenze reflektiert, was durch den Strahl m\ angedeutet ist

Überwiegend verlaufen sie jedoch durch die Umkleidung 3 des Kerns 2 und ebenfalls durch die benachbarte Umkleidung 3, was durch den Strahl m angedeutet ist, und treten in den benachbarten Kern 2 ein. Dies führt häufig zu einer Verminderung des Kontrastes und der

is Auflösung sowie zu störenden Reflexen.

Sei einem anderen bekannten optischen Faserbündel (vgL die F i g. 3 und 4) enthält die optische Faser 1 einen Kern 2, eine innere, den Kern 2 umgebende Umkleidung 3 mit glatter Außenfläche und eine weitere, die Innere

Umkleidung 3 umgebende äußere Umkleidung 4 mit glatter Außenfläche. Bei diesem optischen Faserbündel treten ebenfalls Lichtstrahlen, die auf den Kern mit einem großen Winkel B₁ auftreffen, in den Kern einer benachbarten optischen Faser ein. Daher werden die

Mängel der in Fig. 1 und 2 dargestellten Anordnung nicht beseitigt

Um diese Probleme zu lösen, wurde bereits vorgeschlagen, eine das Licht blockierende Farbe oder eine dunkle Farbe auf die Außenfläche der Umkleidung 3 oder der äußeren Umkleidung 4, oder eine Schicht aus lichtabsorbierendem dielektrischem Material aufzubringen. Da jedoch die Außenfläche der Umkleidungen glatt ist läßt sich eine das Licht absorbierende Farbe oder eine Schicht aus lichtabsorbierendem, dielektrische

Material nur schwer aufbringen. Außerdem neigt eine solche Beschichtung dazu, sich wieder zu lösen, so daß die Lichtabsorption unzureichend wird. Außerdem ist das optische Faserbündel im Durchmesser größer, wenn die Farbschicht oder die dielektrische Schicht aufge-

bracht wird. Dies ist beispielsweise in Einern Endoskop unerwünscht wo der Durchmesser des optischen Faserbündels so klein wie möglich sein muß.

Aus der Literaturstelle W. B. Allan, »Fibre Optics«, 1973, Seiten 119 bis 121 ist bekannt zwischen den

einzelnen Glasfasern eines Glasfaserbündels dünne Stäbe aus absorbierendem Glas einzufügen. Hierdurch wird einerseits die Fertigung erschwert, ohne daß andererseits die gegenseitige optische Beeinflussung der Fasern in ausreichendem Maße unterbunden wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Bildleitfaserbündel der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem eine gegenseitige optische Beeinflussung der Fasern weitgehend vermieden wird, ohne daß die Abmessungen des Faserbündels nennens wert vergrößert werden.

Die gestellte Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst

Durch die Erfindung werden diffus jene Lichtstrahlen jeweils in Richtung auf den Kern reflektiert, die in den Kern unter einem großen Winkel eintreten, wodurch verhindert wird, daß Lichtstrahlen in benachbarte optische Fasern eintreten und dadurch die Auflösung und den Kontrast verschlechter·'.

Die Vorsprünge und Einsenkungen können sich dabei über die gesamte Außenfläche oder nur auf den Lichtauftreffendbereich erstrecken.

Auch die Außenfläche der Hülle kann ganz oder teilweise mit feinmaschigen Vorsprüngen und Einsen-

kungen versehen werqen.

Ferner kann die Umkleidung jedes Kerns mit einer lichtabsorbierenden Schicht umgeben werden, wobei feinmaschige Vorsprünge und Einsenkungen auf der Außenfläche entweder der Umkleidung oder der Schicht oder auf beiden vorgesehen werden können. Da durch die erfmdungsgemäßen Maßnahmen der Außendurchmesser der optischen Faser praktisch nicht vergrößert wird, ergibt sich ein besonderer Vorteil bei Verwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme für Faserbündel, die in Endoskopen eingesetzt werden..

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert In den Zeichnungen bedeutet

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen Teil eines bekannten optischen Faserbündels;

Fig.2 einen schematischen Längsschnitt des in F i g. 1 dargestellten Faserbündels,·

Fig.3 einen Querschnitt eines anderen bekannten Faserbündels;

Fig.4 einen Längsschnitt durch das in Fig.3 dargestellte Faserbündel;

Fig.5 einen schematischen Querschnitt eines erfindungsgemäß ausgebildeten optischen Faserbündel;

Fig.6 einen Querschnitt durch einen Teil des in F i g. 5 dargestellten optischen Faserbündels;

F i g. 7 einen Längsschnitt durch F i g. 6;

F i g. 8 einen Längsschnitt zur Veranschaulichung der Funktion des in Fig.6 dargestellten optischen Faserbündels;

Fig.9—13 Längsschnitte anderer Ausführingsbeispiele von optischen Faserbündeln;

Fig. 14 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform, bei der die äußere Hülle aus nicht absorbierendem, dielektrischem Material besteht;

Fig. 15 einen Längsschnitt zur Veranschaulichung der Funktion des in Fig. 14 dargestellten Faserbündeis;

Fi g. 16 eine Querschnittsdarstellung eines Teils einer weiteren Ausführungsform eines optischen Faserbündels und

F i g. 17 einen schematischen Längsschnitt zur Veranschaulichung der Funktion des in Fig. 16 dargestellten optischen Faserbündels.

Aus F i g. 5 ist ersichtlich, daß ein erfindimgsgemäß ausgebildetes optisches Bildleitfaserbündel eine Anzahl feiner optischer Fasern 21 (im Querschnitt der Einfachheit halber in Form von Maschen oder als Netzwerk wie in F i g. 1 dargestellt) und eine dünne hohle zylindrische Hülle 22 enthält, die diese Fasern stramm umgibt Die Hülle 22 besteht aus Kron-Glas.

Fig.6 und 7 zeigen eine Ausführungsform der das optische Faserbündel in F i g. 5 bildenden Fasern 21.

Die optischen Fasern 21 enthalten jeweils einen Kern 23 und eine den Kern stramm umgebende Umkleidung 24. Der Kern 23 besteht aus Flint-Glas und hat beispielsweise einen Durchmesser von 8 Mikrometer. Die Umkleidung 24 besteht aus Kron-Glas und hat einen kreisförmigen oder polygonalen Querschnitt (hexagonal bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel). Jede Außenfläche der Umkleidung 24 hat bei diesem Ausführungsbeispiel eine Breite von 7 Mikrometer. Feinmaschige Einsenkungen 26 und Vorsprünge 27 mit einem Abstand von 1 mm sind auf der gesamten Außenfläche 25 der Umkleidung 24 vorgesehen.

In Fig.7 sind die Einsenkungen 26 und Vorsprünge 27 zur Veranschaulichung übertrieben groß dargestellt, jedoch sind sie in der Praxis so klein wie oben erwähnt. Auch greifen die Einsenkungen und Vorsprünge der Umkleidung 24 benachbarter optischer Fasern nicht vollständig ineinander, jedoch ist dies der Einfachheit halber in F i g, 7 so dargestellt,

F i g, 8 zeigt die Funktion der optischen Fasern 21 des ersten Ausfübrungsbeispiels, Wenn die in ein Ende 2& s des optischen Faserbündels 21 eintretenden Bildlichtstrahlen Α gebrochen werden und an der Grenze 29 zwischen dem Kern 23 und der Umkleidung 24 mit einem Einfallswinkel ankommen, der nicht kleiner als der kritische Winkel (beispielsweise 34°) zwischen dem

ι ο Kern 23 und der Umkleidung 24 ist, werden die Strahlen /ι wiederholt an der Grenze 29 zwischen dem Kern 23 und der Umkleidung 24 total reflektiert und treten schließlich aus dem dem Einfallsende 28 gegenüberliegenden Ende 30 (F i g. 7) aus. Wenn unter dem Winkel

is Θ2 auf treffende Bildlichtstrahlen h gebrochen werden und an der Grenze 29 zwischen dem Kern 23 und der Umkleidung 24 mit einem Einfallswinkel ankommen, der kleiner als der oben erwähnte kritische Winkel ist, werden sie teilweise an der Grenze 29 reflektiert aber überwiegend dort gebrochen. Die Lichtstrahlen I₂ verlaufen dann durch die Umkleidung 24 — dort als /3 bezeichnet — werden durch die Einsenkungen 26 und die Vorsprünge 27 auf der Oberfläche 25 der Umkleidung 24 zerstreut und laufen als A zum Kern 23 zurück. Demzufolge treten die ankommenden Bild-Lichtstrahlen h kaum in die Umkleidung der benachbarten optischen Faser und damit in den benachbarten Kern ein. Somit wird eine Verminderung der Auflösekraft und des Kontrastes sowie die Erzeugung von störenden Reflexen vermieden.

Fig.9 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Die optischen Fasern 21 sind im Aufbau gleich wie die in Fig.6 bis 8 dargestellten Fasern, jedoch unterscheiden sie sich von diesen darin, daß feinmaschige Einsenkungen 26 und Vorsprünge 27 nur an dem Endbereich 31 der Außenfläche 25 der Umkleidung 24 vorgesehen sind, an dem das Licht eintritt (die Länge des Endbereiches ist 100mal so groß wie der Durchmesser des Kerns, wobei der Sicherheitsfaktor einer Lichtabsorption berücksichtigt ist).

Die unter dem Winkel Θ2 auf das Ende 28 auft äffenden Lichtstrahlen h mit einem Einfallswinkel, der kleiner ist als der kritische Winkel, werden diffus durch die Einsenkungen 26 und die Vorsprünge 27 auf der Außenfläche 25 der Umkleidung 24 reflektiert und kehren zum Kern 23 in gleicher Weise airück wie bei der Anordnung von Fig.6—8. Ein Teil der Bildlichtstrahlen /«, die von der Außenfläche 25 wieder in die Kerne 23 unter einem Einfallswinkel eintreten, der größer als der kritische Winkel ist, werden wiederholt total an der Grenze 29 zwischen dem Kern 23 und der Umkleidung 24 reflektiert und treten dann an den Enden 30 der Kerne 23 aus. Ein Teil des Lichtes, das unter einem Einfallswinkel eintritt, der kleiner als der kritische Winkel ist, wird durch die Einsenkungen 26 und die Vorsprünge 27 der Umkleidung 25 zerstreut. Da die Lichtintensität bei jeder zufälligen Reflexion sehr stark vermindert wird, verschwinden die zerstreuten Lichtstrahlen nahezu, bis sie das innere Ende des Endteils 30 erreichen. Somit t.effen die zerstreuten Lichtstrahlen nicht auf de:i Teil der Außenfläche 25 der Umkleidung 24 auf, wo keine Vertiefungen 26 und Vorsprünge 27 vorhanden sind.

Bei dem in Fi g. 10 dargestellten Ausführungsbeispiel hat jede optische Faser 21 eine Umkleidung 24, deren Außenfläche 25 vollständig mit feinmaschigen Einsenkungen 26 und Vorsprüngen 27 wie in Fig.6—8 versehen ist Über der gesamten Außenfläche 32 der

dünnen, das Faserbündel umgebenden Hülle sind feinmaschige Vorsprünge 33 und Einsenkungen 34 mit einem Abstand von 1 mm vorgesehen. Somit werden Lichtstrahlen /5, die von außen auf die Hülle 21 treffen, durch die Einsenkungen 34 und Vorsprünge 33 zerstreut und treten nicht in das optische Faserbündel ein. Demzufolge wird auch eine Verminderung in der Auflösung und im Kontrast sowie die Erzeugung von störenden Reflexen vermieden, die anderenfalls von Lichtstrahlen erzeugt würden, die von außen in das optische Faserbündel eintreten.

F i g. 11 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Vorsprünge 33 und Einsenkungen 34 nur auf der Außenfläche 32 des Auftreffendbereiches 35 der Hülle 22 angebracht sind. Diese Ausführungsform ist von Vorteil, da die Lichtstrahlen von außen auf den Auftreffendbereich 35 konzentriert werden. Derartige externe Strahlen werden voll an der rauhen Oberfläche 32 des Auftreffendbereiches 35 zerstreut.

Bei dem in Fig. i2 dargestellten Ausiünruiigsbeispie! bedeckt die wie in Fig. 10 ausgebildete Hülle 22 ein Faserbündel der in F i g. 9 dargestellten Art, so daß die gleiche Wirkung wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 10 erzielt wird.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 13 enthält die optischen Fasern der Ausführungsform von F i g. 9 und die Hülle 22 der Ausführungsform von Fig. 11. Hierdurch werden die kombinierten Wirkungen der Ausführungsformen von F i g. 9 und 11 erzielt.

Es sei bemerkt, daß das optische Faserbündel die optischen Fasern 21 gemäß F i g. 6—8 und die Hülle 22 gemäß F i g. 11 enthalten kann. Hierdurch wird die kombinierte Wirkung der Ausführungsformen von F i g. 6-8 und F i g. 11 erzielt.

Bei dem in F i g. 14 dargestellter. Ausführungsbeispiel befinden sich die optischen Fasern 21 gemäß F i g. 9 in der Hülle 22 gemäß Fig. 10, wobei deren Außenfläche 32 über ihrer gesamten Länge mit Vorsprüngen 33 und Einsenkungen 34 versehen ist. Über der gesamten Länge der Hülle 22 befindet sich eine Schicht aus lichtabsorbierendem Material 36 mit einer Dicke von 2 — 3 Mikrometer. Die Schicht 36 besteht aus lichtabsorbierendem, farbigem Glas, einer Farbe wie z. B. Tusche, dunkler Wasserfarbe oder dunkler Ölfarbe, dunklem lichtabsorbierenden dielektrischen Material wie z. B. Phenolharz oder Epoxydharz gemischt mit Ruß, oder dergleichen Material.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 14 wird anhand der Fig. 15 erläutert Die auf den Kern in der äußersten optischen Faser unter einem Winkel auftreffenden und an der Grenze 29 zwischen dem Kern 23 und der Umkleidung 24 mu einem Einfallswinkel, der kleiner ist als der kritische Winkel zwischen dem Kern 23 und der Umkleidung 24 ankommenden Bildlichtstrahlen /2 werden teilweise von der Begrenzung 29 reflektiert, jedoch fiberwiegend dort gebrochen. Die gebrochenen Lichtstrahlen /3 verlaufen dann durch die Umkleidung 24 und werden überwiegend durch die feinmaschigen Einsenkungen 26 und Vorsprünge 27 auf der Außenfläche 25 der Umkleidung 24 zerstreut, was durch /4 angedeutet ist. Wenn Lichtstrahlen /6 in die Hülle 22 hinter der Begrenzung 25 zwischen der Umkleidung 24 und der Hülle 22 eintreten, werden sie erneut an der Begrenzung 25 gebrochen und überwiegend durch die Vorsprünge 33 und die Vertiefungen 34 auf der Außenfläche 32 zerstreut, was durch /7 angedeutet ist Falls irgendwelche Lichtstrahlen durch die Außenfläche 32 der Hülle 22 verlaufen sollten, treten sie m die lichtabsorbierende Schicht 36 ein und werden durch diese absorbiert. Somit können die Lichtstrahlen nicht aus dem optischen Faserbündel herausstreuen.

F i g. 16 zeigt eine schematische Querschnittsdarstels lung eines Teils einer anderen Ausführungsform des optischen Faserbündels gemäß Fig.5, wobei jede optische Faser 22 einen Kern 23 wie in F i g. 5—15, eine hohle, den Kern umgebende zylindrische Umkleidung 37 und eine die Umkleidung 37 umgebende, haftende Glasschicht 38 aufweist. Die Umkleidung 37 besteht aus Kron-Glas und hat eine Dicke von beispielsweise 0,9—1,5 Mikrometer. Die Schicht 38 besteht aus säurelöslichem GIa? und besitzt einen kreisförmigen oder polygonalen Querschnitt (ein regelmäßiges Sechs eck bei diesem Ausfuhrungsbeispiel mit einer Seitenlän ge von beispielsweise 6 Mikrometer). Auf der Außenfläche 39 der Schicht 38 sind feinmaschig Vorsprünge 41 und Einsenkungen 42 mit dem gleichen Abstand wie sie die Vorsprünge und Einsenkungen auf der Oberfläche der Umkleidung 24 bei den anderen Ausführungsbeispielen aufweisen.

Die Funktion der in Fig. 16 dargestellten Ausführungsform wird nachfolgend anhand der F i g. 17 beschrieben. Die Lichtstrahlen /2, die auf den Kern 23 am Ende mit einem Winkel Θ2 auftreffen und in Richtung auf die Begrenzung zwischen dem Kern 23 und der Umkleidung 37 mit einem Einfallswinkel gebrochen werden, der kleiner als der kritische Winkel zwischen, dem Kern 23 und der Umkleidung 37 ist, werden überwiegend gebrochen, treten in die Umkleidung 37 ein und erreichen die Begrenzung 43 zwischen der Umkleidung 37 und der Schicht 38, was durch den Strahl /8 angedeutet ist Wenn der Einfallswinkel der durch die Umkleidung 37 verlaufenden Strahlen /8 nicht kleiner ist als der kritische Winkel zwischen der Umkleidung 37 und der Schicht 38, werden die Lichtstrahlen durch die Vorsprünge 41 und Einsenkungen 42 total in Richtung auf den Kern 23 reflektiert. Wenn der Einfallswinkel der gebrochenen Strahlen /8 kleiner als der kritische Winkel zwischen der Umkleidung 37 und der Schicht 38 ist, werden sie überwiegend gebrochen, was durch /9 angedeutet ist und treten in die Schicht 38 ein. Da die Lichtstrahlen /9 durch die Vorsprünge 41 und die Einsenkungen 42 auf der Außenfläche 39 der Schicht 38 in Richtung auf den Kern 23 zerstreut werden, treten sie nicht in den Kern einer benachbarten optischen Faser ein. Somit wird die gleiche Wirkung erzielt wie mit den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 6—9. Da ferner die auf treffenden

so Lichtstrahlen /2 meistens zweimal gebrochen werden, nämlich zuerst durch die Umkleidung 37 und dann durch die Schicht 38, wird die Menge der zerstreiten Lichtstrahlen stark vermindert, so daß dadurch die Wirkungsweise des optischen Faserbündels verbessen wird.

Es sei bemerkt, daß bei diesem Ausführungsbeispiel die feinmaschigen Vorsprünge 37 und Einsenkungen 42 an der Außenfläche des AuftrerTendbereiches der haftenden Glasschicht 38 allein vorgesehen werden kann, während die Hülle gemäß Fig. 10—15 zur Anwendung kommt

Zur Herstellung des optischen Faserbündels werden die optischen Fasern von 200—300 Mikrometer vorbereitet Feinmaschige Vorsprünge und Einsenkungen werden auf der Außenfläche der Umkleidung mit Sandpapier der Körnung 1 mm hergestellt Dann werden die optischen Fasern gebündelt und gezogen, damit ihr Durchmesser auf eine vorgegebene Größe

vermindert wird. Anschließend wird eine Hülle auf dem Bündel der optischen Fasern hergestellt.

Die Brechungsindizes des Kerns, der Umhüllung und der haftenden Glasschicht sind beispielsweise 1,62, 1,52 und kleiner als 1,52.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Bildleitfaserbiindel, bestehend aus einer hohlen zylindrischen Hülle und einem sich durch die Hölle erstreckenden Bündel aus optischen Fasern, wobei jede Faser aus einem länglichen Kern und einer den Kern umgebenden Umkleidung besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenflächen (25) der Umkleidung (24) mit zahlreichen Vorsprüngen (27) und Einsenkungen (26) mit einem Abstand von 1 mm zur Zerstreuung von Lichtstrahlen aus dem Kern (23) versehen ist

2. Bildleitfaserbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (27) und die Einsenkungen (26) auf der gesamten Außenfläche der Umkleidung (24) vorhanden sind

3. Bildleitfaserbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (23) einen Auftreffendbereich (31) für das Licht aufweist, und daß die Vorsprünge (?i) und die Einsenkungen (26) nur auf der Außenfläche des Lichtauftreffeiidbereiches (31) der Umkleidung (24) vorhanden sind.

4. Bildleitfaserbündel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche (32) der Hülle (22) mit zahlreichen feinmaschigen Vorsprüngen (33) und Einsenkungen (34) zur Zerstreuung von von außerhalb auf das Faserbündel einwirkenden Lichtstrahlen versehen ist

5. Lichtleitfaserbündel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorsprünge (33) und Einsenkungen ;34) auf der gesamten Länge der Außenfläche (32) der Hülle (22) vorhanden sind.

6. Bildleitfaserbündel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Vorspränge (33) und die Einsenkungen (34) nur über dem 1 eil der Außenfläche (32) der Hülle (22) vorhanden sind, an dem das Licht von außerhalb auf das Faserbündel auftrifft.

7. Lichtleitfaserbündel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß auf der Hülle (22) eine Schicht (36) aus lichtabsorbierendem Material angeordnet ist