HINTERGRUND DER ERFINDUNG
TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft ein Lichtleitfaserbündel zur Bildübertragung
für den Gebrauch in industriellen und medizinischen Endoskopen und
allgemeinen Bildübertragungssystemen sowie ein Verfahren zu seiner
Herstellung.
STAND DER TECHNIK
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Es ist wohlbekannt, daß ein Lichtleitfaserstrang, der einen SiO&sub2;-
Glaskern mit hohem Brechungsindex und einen SiO&sub2;-Glasmantel aufweist,
welcher Fluor (F) und/oder Boroxid (B&sub2;O&sub3;) zur Verminderung des
Brechungsindex des Mantels enthält, zum Erzielen der notwendigen großen
Differenz zwischen dem Brechungsindex des Kerns und dem Brechungsindex des
Mantels verwendet werden kann, wodurch sich der Durchmesser der optischen
Faser bzw. Lichtleitfaser verringern läßt. Wenn zum Beispiel der
Kerndurchmesser 4pm und der Außendurchmesser des Mantels 6 µm beträgt, muß
die relative Differenz zwischen den Brechungsindex des Kerns und dem
Brechungsindex des Mantels etwa 4% betragen. Eine Vielzahl der
obenerwähnten Lichtleitfaserstränge, die dicht gepackt in einem Glasrohr
angeordnet sind, werden durch Erhitzen von einem Ende des Glasrohrs her
geschmolzen und gezogen, um ein Lichtleitfaserbündel zur Bildübertragung
zu formen.
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Ein Beispiel für ein herkömmliches verschmolzenes
Lichtleitfaserbündel zur Bildübertragung ist in Fig. 4 dargestellt. Das
Lichtleitfaserbündel 21 zur Bildübertragung besteht aus Kernen 22, einem zwischen diesen
Kernen 22 angeordneten gemeinsamen Mantelteil 23 und einer Umhüllung 24,
die den gemeinsamen Mantelteil 23 umgibt. Das Lichtleitfaserbündel 21 zur
Bildübertragung kann Bilder von einer Endfläche auf einer Objektivseite zur
anderen Endfläche auf einer Okularseite durch die mehreren Kerne 22
übertragen. Die Brechungsindexverteilung auf dem Teil A des Querschnitts
des in Fig. 4 dargestellten Lichtleitfaserbündels zur Bildübertragung ist
in Fig. 5 angedeutet. Im allgemeinen wird die Brechungsindexverteilung n(r)
nach der folgenden Gleichung (1) berechnet:
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n(r) = n&sub0; [1-2Δ (r/a)α]1/2
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wobei n&sub0; der Brechungsindex in der Mitte eines Kerns; r der Abstand von der
Kemmitte zu einem zufällig gewählten Punkt im Kern; a der Radius des
Kerns; Δ die relative Brechungsindex-Differenz ist (Δ = (n&sub0;-nc)/n&sub0;, wobei
n&sub0; der Brechungsindex in der Mitte des Kerns und nc der Brechungsindex
eines Mantels ist) und α eine Konstante der Brechungsindexverteilung
bedeutet. Für die Brechungsindexverteilung ist bekannt, daß eine
stufenformige Brechungsindexverteilung, in welcher der Brechungsindex
konstant ist, eine Brechungsindex-Verteilungskonstante α von 5 oder mehr
aufweist, während eine Brechungsindexverteilung vom stetigen Typ, in
welcher der Brechungsindex nicht konstant ist, sondern sich parabolisch
ändert, eine Brechungsindex-Verteilungskonstante α von etwa 2 aufweist.
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Das Lichtleitfaserbündel zur Bildübertragung mit einer
Brechungsindexverteilung, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist, besteht aus
Kernen 22, wobei jeder Kern eine Brechungsindexverteilung vom stetigen Typ
aufweist, und einem gemeinsamen Mantelteil 23 mit einer flachen
Brechungsindexverteilung. Die Brechungsindexverteilung vom stetigen Typ des
Kerns 22 weist eine Brechungsindex-Verteilungskonstante α von etwa 2 auf.
Da jedoch in diesem Typ eines Lichtleitfaserbündels das mit Fluor (F)
und/oder Boroxid (B&sub2;O&sub3;) dotierte Mantelglas eine niedrigere
Erweichungstemperatur als das reine Quarzglas aufweist, wird das Mantelglas
aufgelöst, wenn mehrere Lichtleitfaserstränge angeordnet und verschmolzen
werden, und stört auf diese Weise die Anordnung der Kerne. Im Falle des mit
Fluor (F) dotierten Mantelglases wird außerdem die Oberfläche des Mantels
während des Schmelzprozesses durch das Fluor im allgemeinen zu
Siliciumtetrafluorid (SiF&sub4;) geätzt. Das SiF&sub4;-Gas bildet Blasen, die zu
einer Abnahme der mechanischen Festigkeit des Lichtleitfaserbündels zur
Bildübertragung führen.
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Um eine Störung der Kernanordnung zu verhindern, ist vorgeschlagen
worden, daß die Faserstränge außerdem Trägerschichten enthalten, die an den
äußeren Umfangsflächen der Mäntel angeordnet sind, und dicht gepackt in
einem Glasrohr angeordnet und anschließend zu einem Lichtleitfaserbündel
zur Bildübertragung verschmolzen werden. Die Trägerschicht, die eine reine
Siliciumdioxidschicht ist und aus Silicium(IV)-oxid (SiO&sub2;) ohne
Dotierungssubstanz besteht, hat eine höhere Erweichungstemperatur als der
Mantel.
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Ein Beispiel für das obenerwähnte verschmolzene Lichtleitfaserbündel
zur Bildübertragung ist in Fig. 6 dargestellt. Das Lichtleitfaserbündel 25
zur Bildübertragung besteht aus Kernen 26, Mantelteilen 27, wobei jeder
Mantelteil 27 jeden Kern 26 umgibt, einer Trägerschicht 28 mit hohem
Brechungsindex, die zwischen diesen die Kerne 26 umgebenden Mantelteilen
angeordnet ist, und einer Umhüllung 29, welche die Trägerschicht 28 mit
hohem Brechungsindex umgibt. Fig. 7 zeigt eine Brechungsindexverteilung auf
dem Teil C des Querschnitts des in Fig. 6 dargestellten
Lichtleitfaserbündels zur Bildübertragung. Sowohl der Kern 26 als auch die
Trägerschicht 28 mit hohem Brechungsindex weisen jeweils eine stufenförmige
Brechungsindexverteilung mit einer Brechungsindex-Verteilungskonstante α
von etwa 5 oder mehr auf.
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Fig. 8 zeigt ein weiteres Beispiel einer Brechungsindexverteilung
eines Lichtleitfaserbündels zur Bildübertragung, das die gleiche Struktur
wie die in Fig. 6 dargestellte Faser aufweist. Dieses Lichtleitfaserbündel
zur Bildübertragung besteht aus Kernen 30, wobei jeder Kern eine
Brechungsindexverteilung vom stetigen Typ aufweist, Mantelteilen 31, wobei
jeder Mantelteil 31 jeden Kern 30 umgibt, und einer zwischen diesen die
Kerne 30 umgebenden Mantelteilen 31 ausgebildeten Trägerschicht 32 mit
hohem Brechungsindex, wobei die Trägerschicht 32 eine stufenförmige
Brechungsindexverteilung aufweist.
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Diese Lichtleitfaserbündel zur Bildübertragung mit der in Fig. 7 und
8 dargestellten Brechungsindexverteilung haben den Vorteil, daß die
Kernanordnung nicht gestört wird. In dem Lichtleitfaserbündel zur
Bildübertragung entstehen jedoch ungünstigerweise Blasen an der Grenzfläche
zwischen dem Mantel und der Trägerschicht mit hohem Brechungsindex, wodurch
eine Abnahme der mechanischen Festigkeit des Lichtleitfaserbündels zur
Bildübertragung verursacht wird, da sich die Zusammensetzung des Mantels
sehr stark von derjenigen der Trägerschicht mit hohem Brechungsindex
unterscheidet. Da ferner die Lichtleitfaserbündel zur Bildübertragung
Trägerschichten mit stufenförmig verteiltem hohem Brechungsindex aufweisen,
diffundiert ungünstigerweise unerwünschtes Licht, wie z. B. zu starkes
einfallendes Licht, in den Kern und bewirkt eine Kontrastverschlechterung
in dem Lichtleitfaserbündel zur Bildübertragung.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Lichtleitfaserbündel zur Bildübertragung zu schaffen, das durch
Verminderung eines unerwünschten Lichteinfalls in die Faser und durch
Verhindern der Ausbreitung von Streulicht im Mantelteil und einer
ungünstigen Diffusion von Streulicht in den Kern die Übertragung von
Bildern mit hervorragendem Kontrast ermöglicht.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein
Herstellungsverfahren für das Lichtleitfaserbündel zur Bildübertragung zu
schaffen.
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Nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung wird ein
Lichtleitfaserbündel zur Bildübertragung mit Kernen und Mantelteilen
geschaffen, die in einen gemeinsamen Lichtabschirmungsteil eingebettet
sind, wobei die Mantelteile die Kerne individuell umgeben und der
gemeinsame Lichtabschirmungsteil eine nichtstufenförmige
Brechungsindexverteilung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß für jede
gedachte Linie, die sich senkrecht zur Achse des Faserbündels zwischen zwei
benachbarten Mantelteilen erstreckt, die Funktion, welche die Änderung des
Brechungsindex des Lichtabschirmungsteils in Abhängigkeit vom Abstand
entlang der Linie darstellt, konkav ist.
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Die vorliegende Erfindung schafft außerdem ein Verfahren zur
Herstellung eines Lichtleitfaserbündels zur Bildübertragung mit den
folgenden Schritten:
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(a) Herstellen mehrerer Lichtleitfaserstränge, wobei jeder
Faserstrang einen Kern, einen den Kern umgebenden Mantelteil und einen den
Mantelteil umgebenden Lichtabschirmungsteil aufweist, wobei der
Lichtabschirmungsteil einen radial nach außen allmählich zunehmenden
Brechungsindex aufweist, so daß sein maximaler Brechungsindex höher ist als
ein Brechungsindex des Mantels, wobei die Funktion, welche die Änderung des
Brechungsindex des Lichtabschirmungsteils in Abhängigkeit vom Abstand
entlang einer zur Achse des Faserstrangs senkrechten Achse darstellt,
konkav ist;
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(b) anschließende dichte Packung der Lichtleitfaserstränge in einem
quarzrohr zur Bildung einer Vorform;
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(c) anschließendes Erhitzen der Vorform von ihrem Ende her; und
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(d) anschließendes Ausführen eines Schmelzziehvorgangs an der
Vorform zur Ausbildung eines Lichtleitfaserbündels zur Bildübertragung.
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Die EP-A-0125828 offenbart (vgl. Fig. 4 und Beispiel 1) ein
Lichtleitfaserbündel zur Bildübertragung sowie ein Verfahren zu dessen
Herstellung, die dem gerade definierten Lichtleitfaserbündel bzw. Verfahren
ähnlich sind, mit der Ausnahme, daß die Funktion, welche die Anderung des
Brechungsindex des Lichtabschirmungsteils in Abhängigkeit vom Abstand
darstellt, konvex anstatt konkav ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht eines Lichtleitfaserbündels zur
Bildübertragung nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung;
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Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung, die eine
Brechungsindexverteilung an einem Teil B des in Fig. 1 gezeigten
Lichtleitfaserbündels zur Bildübertragung darstellt;
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Fig. 3 zeigt eine Schnittansicht eines Lichtleitfaserstrangs, der auf
geeignete Weise zur Herstellung eines erfindungsgemäßen
Lichtleitfaserbündels zur Bildübertragung verwendet wird, sowie eine
schematische Darstellung seiner Brechungsindexverteilung;
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Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht einer herkömmlichen
Lichtleitfaserbündel struktur zur Bildübertragung;
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Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung einer
Brechungsindexverteilung an einem in Fig. 4 dargestellten Teil A;
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Fig. 6 zeigt eine Schnittansicht einer zweiten herkömmlichen
Lichtleitfaserbündelstruktur zur Bildübertragung;
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Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung, die eine
Brechungsindexverteilung an einem in Fig. 6 gezeigten Teil C darstellt; und
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Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung, die eine
Brechungsindexverteilung eines dritten herkömmlichen Lichtleitfaserbündels
zur Bildübertragung mit der gleichen Struktur wie in Fig. 6 darstellt.
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Ein Lichtleitfaserbündel zur Bildübertragung nach einem
erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 dargestellt. In Fig.
2 ist eine Brechungsindexverteilung an einem Teil B des in Fig. 1 gezeigten
Lichtleitfaserbündels zur Bildübertragung dargestellt.
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In Fig. 1 besteht ein Lichtleitfaserbündel 11 zur Bildübertragung aus
einer Umhüllung 4 und einem Bildkreis 15, der mit einer Vielzahl von Kernen
12 und Mantelteilen 13, wobei jeder Mantelteil 13 jeden Kern 12 umgibt,
sowie mit einem zwischen diesen Mantelteilen 13 ausgebildeten
Lichtabschirmungsteil 14 ausgestattet ist. Der Bildkreis 15 ist mit der
Umhüllung 4 bedeckt.
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Der obenerwähnte Kern 12 hat eine Brechungsindexverteilung vom
stetigen Typ. Der Mantelteil 13 hat einen niedrigen Brechungsindex und eine
flache Verteilung (Fig. 2). Ferner hat der Lichtabschirmungsteil 14 eine
Brechungsindexverteilung vom stetigen Typ und einen höheren Brechungsindex
als der Mantelteil 13. Fig. 2 zeigt außerdem, daß die Funktion, welche die
Brechungsindexverteilung des Lichtabschirmungsteils 14 als Funktion des
Abstandes darstellt, konkav ist.
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Als Material für jeden Teil werden zum Beispiel GeO&sub2;-dotiertes SiO&sub2;
für den Kern 12, fluor- (F-) und/oder B&sub2;O&sub3;-dotiertes SiO&sub2; für den
Mantelteil 13 und fluor- und/oder B&sub2;O&sub3;-dotiertes SiO&sub2; für den
Lichtabschirmungsteil 14 verwendet.
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Da in dem Lichtleitfaserbündel 11 zur Bildübertragung der
Lichtabschirmungsteil 14 mit einer Brechungsindexverteilung vom stetigen
Typ zwischen den die Kerne 12 umgebenden Mantelteilen 13 ausgebildet ist,
wird unerwünschtes Licht, wie z. B. Streulicht vom Mantel, ausgetretenes
Licht vom Kern und dergleichen, innerhalb des Lichtabschirmungsteils 14
eingeschlossen, so daß die Wahrscheinlichkeit gering ist, daß Licht in
Bilder eindringt, die durch die Kerne 12 von der Endfläche auf der
Objektivseite zur Endfläche auf der Okularseite übertragen werden. Auf
diese Weise wird der Kontrast in den übertragenen Bildern verbessert.
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Zur Herstellung eines Lichtleitfaserbündels 11 zur Bildübertragung
mit einer in Fig. 2 dargestellten Brechungsindexverteilung wird zunächst
ein Lichtleitfaserstrang 18 mit einem Kern 12, einem an der Umfangsfläche
des Kerns 12 angeordneten Mantelteil 13 und einem an der äußeren
Umfangsfläche des Mantelteils 13 angeordneten Teil 17 mit allmählich
ansteigendem Brechungsindex hergestellt. Der Kern 12 weist eine
Brechungsindexverteilung vom stetigen Typ auf, und der Mantelteil 13 weist
eine flache Brechungsindexverteilung auf. Eine Vielzahl von
Lichtleitfasersträngen 18 werden gebündelt und in einem Hüllrohr
angeordnet, um eine Vorform für ein Lichtleitfaserbündel zur
Bildübertragung herzustellen. Die Vorform für ein Lichtleitfaserbündel zur
Bildübertragung wird von einem Ende her schmelzgezogen, und auf diese Weise
wird das Lichtleitfaserbündel 11 zur Bildübertragung hergestellt. Während
der Schmelzintegration kommt der Teil 17 mit allmählich ansteigendem
Brechungsindex für jeden Lichtleitfaserstrang 18 in Kontakt mit den
anderen, und sie verschmelzen zum Lichtabschirmungsteil 14 mit einer
Brechungsindexverteilung vom stetigen Typ.
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Nachstehend wird ein Beispiel des Verfahrens zur Herstellung des
obenerwähnten Lichtleitfaserstrangs 18 offenbart.
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Ein poröses Ausgangsmaterial, das aus GeO&sub2;-dotiertem SiO&sub2; besteht,
wird unter Anwendung des VAD-Verfahrens (Dampfphasenaxialbeschichtung)
hergestellt, oder nötigenfalls wird durch Dehydratisierung ein
Ausgangsmaterial aus lichtdurchlässigem Glas hergestellt, und auf diese
Weise wird ein Kernteil mit einer Brechungsindexverteilung vom stetigen
Typ ausgebildet. Anschließend wird auf eines der beiden Ausgangsmaterialien
(poröses Ausgangsmaterial oder Ausgangsmaterial aus lichtdurchlässigem
Glas), zum Beispiel nach dem Plasma-CVD-Verfahren (plasmagestützte
chemische Dampfabscheidung), fluor- (F-) und/oder B&sub2;O&sub3;-dotiertes SiO&sub2;
aufgebracht, um den lichtdurchlässigen Mantelteil 13 und den Teil 17 mit
allmählich ansteigendem Brechungsindex auszubilden. Zur Ausbildung des
Mantelteils 13 wird die Konzentration von Fluor (F) und/oder Boroxid (B&sub2;O&sub3;)
in der Ablagerung konstant gehalten. Zur Ausbildung des Teils 17 mit
allmählich ansteigendem Brechungsindex wird die Konzentration von Fluor (F)
und/oder Boroxid (B&sub2;O&sub3;) in der Ablagerung allmählich verringert. Das
entstehende Ausgangsmaterial aus lichtdurchlässigem Glas wird gezogen, um
den F-dotierten und/oder B&sub2;O&sub3;-dotierten Lichtleitfaserstrang 18 zur
Verwendung in einem Lichtleitfaserbündel zur Bildübertragung herzustellen,
der die in Fig. 3 dargestellte Brechungsindexverteilung aufweist (in der
die Kurve, welche die Indexverteilung des äußeren Teils 17 darstellt, als
konkav zu erkennen ist).
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Eine Vielzahl dieser Lichtleitfaserstränge 18 werden gebündelt und
in einem Quarzrohr angeordnet, um eine Vorform herzustellen. Die Vorform
wird von einem Ende her schmelzgezogen, um das Lichtleitfaserbündel 11 zur
Bildübertragung zu erhalten.
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Wenn ein F-dotierter Lichtleitfaserstrang als die in dem Quarzrohr
angeordneten Lichtleitfaserstränge für die obenerwähnte Vorform verwendet
wird, dann wird der F-dotierte Lichtleitfaserstrang aus einem
Lichtleitfaserstab mit einem Kern und einem den Kern umgebenden Mantel
hergestellt, wobei der Mantel gleichmäßig mit Fluor dotiert ist. Der
Lichtleitfaserstab wird einer Wärmebehandlung ausgesetzt, so daß das in der
äußeren Umfangsfläche des Quarzglasmantels des Lichtleitfaserstabes
dotierte Fluor verdampft, und schmelzgezogen. Eine Vielzahl auf diese Weise
erhaltener F-dotierter Lichtleitfaserstränge werden dichtgepackt in dem
Quarzrohr angeordnet, um die obenerwähnte Vorform zu bilden. Wird die
Wärmebehandlung weggelassen, dann wird die Manteloberfläche des
Lichtleitfaserstrangs während des Schmelzziehens des Quarzrohrs mit den
darin enthaltenen Lichtleitfasersträngen mit Fluor geätzt, und es entsteht
SiF&sub4;-Gas,
das in Form von Blasen in dem erzeugten Lichtleitfaserbündel zur
Bildübertragung zurückbleibt und eine Verringerung seiner mechanischen
Festigkeit bewirkt. Das Wärmebehandlungsverfahren wird im allgemeinen
mehrere Stunden lang bei einer Temperatur im Bereich von 1600º bis 1800ºC
ausgeführt. Unter solchen Bedingungen wird das Fluor in der äußeren
Umfangsfläche des in dem Quarzrohr angeordneten Mantels ausreichend
verdampft, und die Vorform wird nicht deformiert.
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Da ferner nur das Fluor in der Nähe des Mantelumfangs entfernt wird,
bleibt die Differenz zwischen dem Brechungsindex des Kerns und dem
Brechungsindex des Mantels erhalten. Daher wird die Abbildung nicht
behindert.
(BELSPIEL 1)
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Es wurde ein Lichtleitfaserbündel zur Bildübertragung mit einer
Brechungsindexverteilung hergestellt, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist.
Es wurde ein Lichtleitfaserstrang (Lichtleitfasermaterial) verwendet,
dessen Kern und Lichtabschirmungsteil die in Fig. 3 dargestellte
Brechungsindexverteilung vom stetigen Typ hatten. Als Kern, Mantelteil und
Teil mit allmählich ansteigendem Brechungsindex wurden die folgenden
verwendet:
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Kern: GeO&sub2;-dotiertes SiO&sub2;; Kerndurchmesser 100 µm und relative
Brechungsindex-Differenz von +3,0%.
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Mantelteil: (F, B&sub2;O&sub3;)-dotiertes SiO&sub2;; Dicke 25 µm und relative
Brechungsindex-Differenz von -1,0%.
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Teil mit allmählich ansteigendem Brechungsindex: (F, B&sub2;O&sub3;)-dotiertes
SiO&sub2;; Dicke 5 µm und maximale relative Brechungsindex-Differenz von -1,0%.
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Ein Bündel von 3000 dieser Lichtleitfaserstränge wurde dichtgepackt
in einem Quarzrohr angeordnet und schmelzgezogen, um ein erfindungsgemäßes
Lichtleitfaserbündel zur Bildübertragung herzustellen.
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Als Vergleichsbeispiel wurde aus dem gleichen wie dem obenerwähnten
erfindungsgemäßen Material ein weiterer Lichtleitfaserstrang hergestellt.
Der Vergleichs-Lichtleitfaserstrang hatte einen Kern mit einer
Brechungsindexverteilung vom stetigen Typ und einen Mantel sowie einen Teil
mit hohem Brechungsindex, der aus SiO&sub2; bestand und eine stufenförmige
Brechungsindexverteilung hatte. Der Teil mit hohem Brechungsindex umgab die
äußere Umfangsfläche des Mantelteils. Anschließend wurde unter Anwendung
des früher beschriebenen Verfahrens das Vergleichs-Lichtleitfaserbündel zur
Bildübertragung hergestellt, das aus Kernen, die jeweils eine
Brechungsindexverteilung vom stetigen Typ hatten, sowie aus einer
Trägerschicht mit stufenförmiger Brechungsindexverteilung bestand, wie in
Fig. 7 dargestellt.
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Der Kontrast der durch das erfindungsgemäße Lichtleitfaserbündel zur
Bildübertragung übertragenen Bilder wurde unter Anwendung des MFT-
Verfahrens mit dem des Vergleichsfaserbündels verglichen. Es bestätigte
sich, daß der Kontrast der durch das erfindungsgemäße Lichtleitfaserbündel
zur Bildübertragung übertragenen Bilder gegenüber denen des
Vergleichsbeispiels um etwa das 1,5-fache besser war.