DE1942601B2 - Optische Bildübertragungseinrichtung - Google Patents
Optische BildübertragungseinrichtungInfo
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Description
<t<2mnC '
25
3. Bildübertragungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen
Fasern in einer Endfläche des Faserbündels dicht beieinanderliegen und in der anderen Endfläche
jeweils in einem gleichen Abstand voneinander jo gehalten sind.
4. Bildübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
optischen Fasern von einem Stoff umgeben sind, dessen Brechungsindex größer als der Oberflächen- js
brechungsindex der Fasern ist und der Licht absorbiert.
Die Erfindung betrifft eine optische Bildübertragungseinrichtung mit in einem Bündel angeordneten
optischen Fasern, die in beiden Endflächen jeweils eine gleiche relative Lage zueinander haben und eben
geschliffen sind.
Aus «Fiber Optics« von Kapany, 1967, S. 81 bis 109 und S. 126 bis 128, ist eine Bildübertragungsplatte aus
einer Anzahl optischer Fasern bekannt, die jeweils aus einem Lichtleiterkern mit hohem Brechungsindex und
einer Mantelschicht aus einem Lichtleiterstoff mit geringerem Brechungsindex bestehen. Wenn man eine
solche Bildübertragungsplatte als Bildschirmplatte einer Kathodenstrahlröhre verwendet, kann das von einem
Fluoreszenzschirm ausgehende Licht unmittelbar aufge- v-,
zeichnet werden. Innerhalb der genannten Bildübertragungsplatte übertragen jedoch die einzelnen optischen
Fasern jeweils eine Lichtmenge als Bild eines Lichtflecks, so daß das Auflösungsvermögen der Bildübertragungsplatte
durch den Durchmesser der optischen t>o Fasern bestimmt ist. Wenn auch das Auflösungsvermögen
durch Verringerung des Faserdurchmessers bis zu einem gewissen Grad verbessert werden kann, ist eine
Grenze für den erzielbaren Durchmesser der optischen Fasern und damit für das Auflösungsvermögen vornan- μ
den, weil die Herstellung optischer Fasern mit einem Durchmesser kleiner als 10 μ große Schwierigkeiten
bereitet. Außerdem ist die Herstellung der Bildübertragungsplatte aus optischen Fasern sehr umständlich und
mit kleinerem Faserdurchmesser wenig wirtschaftlich.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Einrichtungen mit optischen Faserbündeln liegt darin, daß für die
Bildbeobachtung Objektive mit starker Vergrößerung benötigt werden und daß zahlreiche Zusatzeinrichtungen
zum Fotografieren der Bilder erforderlich sind.
In »Bell Systems Technical Journal« November 1965, S. 2020 bis 2027 ist eine Glasfaser mit parabolischem
Brechzahlprofil beschrieben, die damit Abbildungseigenschaften
aufweist
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung einer Bildübertragungseinrichtung der genannten Art mit
hohem Auflösungsvermögen, die bei einfachem Aufbau aufrechte reelle Bilder liefert
Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß jede Faser eine Querschnittsverteilung des
Brechungsindex im wesentlichen nach der Beziehung n=N(l —afi) mit NaIs Brechungsindex im Zentrum, η
als Brechungsindex in einem Abstand r vom Zentrum und a als einer positiven Konstanten und eine
Faserlänge
(2m-l)jtC-|<f<2OTtC-1
mit m als einer positiven ganzen Zahl und C=(2a)"2 hat
und damit als Faserlinse wirksam ist.
Die Erfindung setzt Fasern mit abbildenden Eigenschaften ein. Infolgedessen ist es zur Erzielung einer
hohen Auflösung nicht erforderlich, die Einzelfasern möglichst dünn zu machen, was herstellungsmäßig
Schwierigkeiten bereitet. Vielmehr kann man Fasern mit einer technisch und wirtschaftlich verfügbaren
Dicke einsetzen und erzielt trotzdem infolge der optischen Abbildung eine hohe Auflösung. Infolge der
abbildenden Eigenschaften der Fasern Hefen die Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung ein
reelles Bild eines Objekts, das auf einem Schirm sichtbar gemacht werden kann, der sich in einer Entfernung von
der Endfläche des Faserbündels befindet. Dieses reelle Bild kann auch mit anderen optischen Einrichtungen
beobachtet werden.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung besitzt ein hohes Auflösungsvermögen und erfordert
nur geringe Herstellungskosten.
Die optischen Fasern der Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung können aus Glas oder
Kunstharz bestehen. Insbesondere bei Glas läßt sich eine gewünschte Verteilung des Brechungsindex leicht
durch allmähliche Änderung desselben im Innern des Glases einstellen, indem man die Kationenkonzentration
der Austauschoxyde des Glases einstellt und die Konzentrationen von mindestens zwei Arten von
Kationen der Abwandlungsoxyde des Glases ändert. Bei einem Kunstharz läßt sich die gewünschte Verteilung
des Brechungsindex durch Beschichtung des Kerns mit mehreren Harzschichten von unterschiedlichem Brechungsindex
und durch wechselweise Diffusion bei hoher Temperatur und anschließende Wärmebehandlung
einstellen, womit man eine gewünschte Änderung der Brechungsindices erhält. Die optischen Fasern nach
der Erfindung haben auch dann eine Linsenwirkung, wenn der Brechungsindex nur näherungsweise und nicht
genau die oben genannte Beziehung erfüllt. Auch wenn Terme 1* und ή vorhanden sind, wird die Linsenwirkung
nicht beeinträchtigt, wenn die genannten Terme klein sind.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
erläutert, welche darstellen:
F i g. 1 bis 6 schematische Ansichten zur Erläuterung der Grundgedanken der Erfindung,
F i g. 7 einen Querschnitt für eine Ausführungsform der Erfindung,
F i g. 8 eine vergrößerte Teilansicht der F i g. 7,
Fig.9 eine teilweise geschnittene Ansicht einer weiteren A '.'.sführungsform der Erfindung, ι ο
Fig. 10 ein Schaubild der Beziehung zwischen Gegenstand und Bild bei der Ausführungsform nach
Fig. 9,
Fig. 11 und '.2 jeweils schematische Ansichten weiterer Ausführungsformen der Erfindung und
F i g. 13 und 14 die Verteilung der optischen Fasern in der Lichteintrittsfläche und Lichtaustrittsfläche des
optischen Faserbündels bei den Ausführungsformen nach den F i g. 11 und 12
Die Beziehung zwischen einem Gegenstand und
seinem Bild ist in F i g. 1 für eine optische Faser nach der Erfindung aufgetragen, wo ein durchsichtiger Körper i
einen Radius R, eine Länge t und eine Verteilung des
Brechungsindex nach der Beziehung n=N(\ —ar3) hat
mit ar2<\. 2>
Die Brennweite f dieser durchsichtigen Faserlinse 1 erhält man durch Berechnung eines Mediums Tiit der
oben angegebenen Verteilung des Brechungsindex gemäß »Bell System Technical Journal« H. Kogelnik S.
455 bis 494, März 1965, insbesondere S. 465 bis 467. so
Danach ergibt sich die Brennweite /nach der folgenden Gleichung mit (2a//2 = C:
/=(NCsinO)"'· (i)
In diesem Fail wird die Brennweite f durch den Abstand von einem ersten Hauptpunkt im Gegenstandsraum
angegeben oder einen Abstand von einem zweiten Hauptpunkt im Bildraum. Der Abstand h einer 4«
Hauptebene //gegenüber der betreffenden Stirnfläche der Linse ergibt sich zu:
der Linse im Bildraum L3 beträgt und m eine positive
ganze Zahl ist, gilt d'e folgende Beziehung:
/1 = (NC) ' lan'/2 O .
(2)
In der Zeichnung sind jeweils die Brennpunkte Fi und
F2 im Gegenstendsraum und im Bildraum sowie die
gegenstandsseitige und die bildseitige Hauptebene H\
und //2 angegeben.
Wenn ein Gegenstand Pan einem Ort innerhalb des
Gegenstandsraumes in einem Abstand k von der Hauptebene H\ aufgestellt wird und folglich ein Bild Q
an einem Ort im Bildraum in einem Abstand l von der
Hauptebene //2 entsteht, gilt die Gleichung:
zwischen dem Gegenstandsabstand k und dem Bildabstand L, wenn man einen achsennahen Lichtstrahl
betrachtet, entsprechend dem üblichen Linsengesetz. In diesem Fall breitet sich ein Lichtstrahl im Innern der
Linse wellenförmig bezüglich der Mittelachse auf einer Sinuslinie aus, deren Wellenlänge 5= 2nC~' beträgt.
Eine Bedingung für eine gleiche Größe des Gegenstandes und seines Bildes ist |Jtj = |L|. Wenn ein als
positive Größe gemessener Abstand von einer Stirnfläche der Linse im Gegenstandsraum Ar3, ein als positive
Größe gemessener Abstand gegenüber der Stirnfläche ku = La =j-
oder
oder
ei = mrr.
Eine grafische Darstellung der Gleichung (4) findet sich in Fig.2, wo auf der Abszisse die Linsenlänge und
auf der Ordinate der Gegenstandsabstand gegenüber einer Stirnfläche der Linse aufgetragen ist Die
gestrichelte Linie der Abbildung gilt für ein umgekehrtes reelles Bild und die ausgezogene Linie für ein
aufrechtes reelles Bild. Ein Beispiel für die Erzeugung eines umgekehrten reellen Bildes gleicher Größe wie
der Gegenstand ist in F i g. 3 angegeben, wogegen Fig.4 ein aufrechtes reelles Bild der Vergrößerung 1
angibt. Wenn die Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung ein aufrechtes reelles Bild eines Gegenstandes
übertragen muß, soll die Linsenlänge t die folgende Beziehung erfüllen:
Mit zunehmendem Abstand zwischen Linse und Gegenstand tritt zunehmend eine Überlappung der
3ilder von den Einzellinsen der Bildübertragungseinrichtung ein, wodurch sich die Bildqualität insgesamt
verschlechtert. Diese Erscheinung kann dadurch ausgeschaltet werden, daß dieser Abstand auf einem Wert
kleiner als mehrere Linsendurchmesser gehalten wird oder daß die Linsenlänge t innerhalb eines Bereichs
bleibt:
<l r, im.-rC
mit m als einer positiven ganzen Zahl. Die durch die
obige Beziehung angegebenen Bereiche für die Linsenlänge entsprechen in F i g. 2 einem Bereich
zwischen 2 ^ und 4 oder zwischen 6 und 8 der
Abszissenskaia.
Gleichung (5) läßt erkennen, daß unabhängig von der Gegenstandsstellung ein aufrechtes oder umgekehrtes
Bild erzeugt wird, wenn die Linsenlänge gleich einem ganzzahligen Vielfachen der halben Lichtwegwellenlänge
S ist, nämlich ein aufrechtes Bild für eine Linsenlänge 2ITmC-1 und ein umgekehrtes Bild für eine Linsenlänge
(2m-\)nC-K Die Fig. 5 (A) und 5 (B) geben die
Beziehung zwischen einem Gegenstand und seinem Bild für eine Linsenlänge 2nC~' an. In der Fig. 5 (A)
erscheint ein aufrechtes reelles Bild Q mit der Vergrößerung 1 in der Austrittsfläche der Linse, wenn
sich ein Gegenstand P in unmittelbarer Berührung mit der Eintrittsfläche der Linse befindet. Wenn der
Gegenstand Pin einem Abstand vor der Eintrittsfläche
liegt, erscheint ein aufrechtes virtuelles Bild Q der Vergrößerung 1 an einem Ort in einem Abstand gleich
dem genannten Gegenstandsabstand von der Austrittsfläche innerhalb der Linse F i g. 5 (B).
Im Rahmen der vorstehenden Beschreibung ist angenommen, daß der Außenraum der Linse einen
Brechungsindex 1 hat. Wenn der Brechungsindex im Gegenstandsraum /?i und im Bildraum /72 beträgt, erhält
man die Bedingung für eine gleiche Gegenstands- und Bildgröße näherungsweise, indem man kä in Gleichung
(4) durch kalni und La durch LJn2 ersetzt und Gleichung
(5) unverändert läßt.
Für die Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung sind eine Anzahl optischer Fasern mit de:r
genannten Verteilung des Brechungsindex so aufgestellt, daß beide Stirnflächen einer jeden Faser genau die
gleiche gegenseitige Lage habe. Also die Ausrichtung in Längs- und Querrichtung der Fasern ist an beiden
Endflächen gleich.
Nach der Erfindung überträgt jede Faser einen ι ο Bildausschnitt, die Bildübertragungseinrichtung insgesamt
überträgt ein vollständiges Bild.
Im Rahmen der Erfindung kann eine Verschlechterung des Auflösevermögens und eine Verringerung der
Kontrastschärfe auftreten, wenn die sich innerhalb der optischen Fasern ausbreitenden Lichtstrahlen an den
Faseroberflächen reflektiert werden oder wenn Lichtstrahlen durch diese Oberflächen dringen und in den
Außenraum der Fasern entweichen. Dieser Nachteil läßt sich dadurch vermeiden, daß man die optischen
Fasern in einen Stoff einbettet oder mit einem solchen umhüllt, dessen Brechungsindex größer als der Oberflächenbrechungsindex
der Fasern ist und der Licht absorbiert.
Die optischen Fasern der Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung haben normalerweise einen
kreisförmigen Querschnitt. Die Spalte zwischen benachbarten Fasern tragen nicht zur Bildübertragung bei.
Damit das Licht einer Lichtquelle, die solchen Spalten gegenübersteht, auch zur Bildwirkung beitragen kann, jo
muß folglich der Abstand zwischen einer Stirnseite der optischen Fasern und der Lichtquelle sowie der Abstand
zwischen der gegenüberliegenden Stirnseite der optischen Fasern und dem Bild oberhalb eines Grenzwertes
liegen. Wenn die Länge der optischen Fasern den Wert j5
i, jtO1 überschreitet, erhält man diesen Grenzwert
folgendermaßen. Zunächst läßt sich eine Bedingung erhalten, daß Licht aus einer Lichtquelle in einem Punkt
entsprechend Y\n größter Entfernung zu den optischen Fasern innerhalb eines Spaltes gelangt, der durch die
optischen Fasern des Bündels nach F i g. 6 gebildet wird. Wenn der Lichtstrahl innerhalb eines Winkels θ an
einer Stirnfläche der optischen Fasern liegt, kann Licht aus einer ziemlich weit entfernten Stellung gegenüber
einer Stirnfläche der optischen Fasern in das Innere derselben gelangen (Θ wird durch die folgende
Gleichung ausgedrückt: tan Q = N ■ R- yiäjauch wenn
der Lichtstrahl innerhalb der gestrichelten Linie M in F i g. 6 liegt, kann Licht aus einer Stellung in ziemlicher
Nähe einer Stirnfläche der optischen Fasern 1 ins Innere derselben gelangen. Damit also Licht aus einer
Lichtquellenebene entsprechend einem Punkt Y ins Innere der optischen Fasern gelangt und in einen
Bildpunkt abgebildet wird, muß die Stellung der Lichtquellenebene ziemlich weit entfernt von dem
Kreuzungspunkt zwischen der gestrichelten Linie M und der strichpunktierten Linie Tsein, die vom Punkt Y
senkrecht auf eine Stirnfläche gerichtet ist Die Lichtquellenebene muß also in einem größeren Abstand
als /1 liegen, der näherungsweise durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird:
J1 = (N- R)-1 (2a)~"2(D2 Rψ*
bezogen auf eine Stirnfläche der optischen Fasern.
Wenn die optischen Fasern nach F i g. 6 in einer dichten Packung liegen, erhält man für den Wert
/1 =i/3/3Ni/2ä Dieser Wert ist unter der Annahme einer
Luftschicht zwischen der Lichtquellenebene und einer Stirnfläche der optischen Fasern berechnet, dorch weil
normalerweise eine Platte aus Glas oder einem anderen festen durchsichtigen Stoff eingesetzt ist, ist die Dicke
der obengenannten Platte immer größer als /1. Die genannten Spalten können jedoch durch entsprechende
Querschnittswahl der einzelnen Fasern entsprechend einem regelmäßigen Sechseck oder einem anderen
Vieleck beträchtlich verkleinert werden. In diesem Fall können eine Lichtquellenebene und eine Bildebene im
wesentlichen mit der jeweiligen Stirnfläche der optischen Fasern Berührung haben.
Die optischen Fasern für die Bildübertragungseinrichtung sind biegsam und ermöglichen eine Bildübertragung
auch in gebogenem Zustand, so daß außer den beiden Endäbsehniiien der optischen Fasern andere
Teile nicht festgelegt werden brauchen, solange nur die Endabschnitte miteinander befestigt sind. Die Lage
eines Bildes kann lediglich durch Verschiebung einer Stirnfläche der optischen Fasern eingestellt werden,
weil die Bildübertragungseinrichtung nachgiebig ist.
Die optischen Fasern für die Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung können einen erheblicher
Durchmesser haben, bspw. 50 μ bis 1000 μ, ohne daß das hohe Auflösungsvermögen abnimmt. Folglich ermöglicht
die Erfindung die Bereitstellung einer Bildübertragungseinrichtung mit gleichem oder noch höherem
Auflösungsvermögen, als mit bekannten Bildübertragungsplatten erreichbar ist, obgleich die Bildübertragungseinrichtung
nach der Erfindung Fasern mil größerem Durchmesser als bekannte Bildübertragungsplatten
verwendet. Auch bei der Herstellung einer Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung können
optische Fasern mit großem Durchmesser benutz! werden, so daß die Anordnung und Halterung dei
optischen Fasern leicht und sicher möglich ist, was die Herstellungskosten der Bildübertragungseinrichtung
herabsetzt Insbesondere wenn eine vakuumdichte Bildübertragungseinrichtung erforderlich ist, kann die
von den Faseroberflächen innerhalb der Bildübertragungsplatte eingenommene Fläche herabgesetzt werden,
weil optische Fasern mit ziemlich großerr Durchmesser im Rahmen der Erfindung verwendet
werden können. Deshalb können die Fasern leichi vakuumdicht eingelassen werden.
Die Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung kann als Schirmbildplatte einer Kathodenstrahlröhre
als Trennwand und Schirmbildplatte einer Mehrstufen· bildröhre, als Schirmbildplatte einer Bildwiedergabe
röhre, als Schirmbildplatte eines Bildverstärkers odei einer fotografischen Aufzeichnungseinrichtung zui
Aufzeichnung von elektronischen Bildern benutz werden.
Im Rahmen der Erfindung ist unter Faser ein Elemen mit vergleichsweise kleinem Querschnitt von wenige!
als einigen Millimetern Durchmesser zu verstehen bspw. mit Kreisquerschnitt Eine solche Faser brauch
nicht eine größere Länge als die Abmessung de! Querschnitts zu haben. Unter einer Faser ist auch eii
Stab, ein Bolzen oder eine Scheibe zu verstehen, jeweils mit kreisförmigem oder vieleckigem Querschnitt In
folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugte] Ausführungsformen erläutert
Glasfasern mit einem Durchmesser von 0,8 mm unc einer Zusammensetzung von 20 Gewichts-% TI2O, I^
Gewichts-% Na2O, 20 Gewichts-% PbO und Ai
Gewichts-% S1O2 werden in ein Kaliumnitratbad hoher
Temperatur getaucht damit man Glasfasern mit einem zentralen Brechungsindex N= 1,60, einem Oberflächenbrechungsindex von 1,57 und einer Verteilung des
Brechungsindex /J=W(I —ar2) mit a= 11,7 cm-2 erhält.
Eine Anzahl solcher Glasfasern wird dann unter Zwischenlage eines gefärbten Glases mit niedrigem
Schmelzpunkt genau ausgerichtet, worauf eine Einschmelzung und eine Formung zu einer Platte erfolgt
Darauf werden beide Plattendeckflächen, nämlich die Stirnfläche der optischen Fasern, geschliffen. Glasplatten einer Dicke von 2£ mm und einem Brechungsindex
von 1,70 werden auf beide Stirnflächen der geschliffenen optischen Faserplatte aufgesetzt, so daß man eine
Bildübertragungsplatte erhält Die Länge einer jeden optischen Faser beträgt 9,72 mm, was nach den
Berechnungen die kürzeste mögliche Länge ist, die für aufrechte Bilder einer Vergrößerung 1 möglich ist
Gemäß F i g. 7 wird diese Bildübertragungsplatte 8 als
Schirmbildplatte einer Kathodenstrahlröhre 9 benutzt Die optischen Fasern des Bündels 10 sind über ihre
ganze Länge fest miteinander verbunden und an beiden Stirnenden durch Glasplatten 11 und 12 abgedeckt Auf
die Innenfläche der Lichtübertragungsplatte ist ein Fluoreszenzstoff 13 aufgetragen, der eine Lichtquellenfläche darstellt Ein lichtempfindliches Papier 14
befindet sich in enger Anlage an der Außenfläche der Lichtübertragungsplatte. Nach Fig.8, die einen Ausschnitt der Fig.7 in vergrößertem Maßstab zeigt,
gelangt das licht aus der Oberfläche des Fluoreszenzstoffes 13 durch das Innere der optischen Fasern 15
entsprechend der Lichtverteilung in dem Fluoreszenzschirm. Auf dem lichtempfindlichen Papier entsteht ein
aufrechtes reelles Bild 16 der Vergrößerung 1. Das Licht aus Bereichen des Fluoreszenzschirmes entsprechend
dem gefärbten Glasfüllstoff 17 tritt durch die benachbarten optischen Fasern abgesehen von einem Teil, der
in den gefärbten Glasstoff eintritt und dort absorbiert wird. Infolgedessen erhält man ein Bild, das genau dem
Lichtmuster auf dem Fluoreszenzschirm entspricht auf dem lichtempfindlichen Papier. licht von zwei Punkten
des Fluoreszenzschirmes in einem gegenseitigen Abstand von 0,02 mm ergibt zwei getrennte Bildpunkte auf
dem lichtempfindlichen Papier.
Glasfasern mit einem Durchmesser von 0,2 mm und einer Zusammensetzung nach Beispiel 1 werden in ein
Kaliumnitratbad hoher Temperatur getaucht, damit man Glasfasern mit einem zentralen Brechungsindex
N= 1,60, einem Oberflächenbrechungsindex von 1,57 und einer Verteilung des Brechungsindex /7=N(I — a/5)
mit S=I^SxIO2Cm-2 erhält Eine Anzahl solcher
Glasfasern wird dann unter Zwischenlage eines gefärbten Glases mit einem niedrigen Schmelzpunkt
sorgfältig ausgerichtet, darauf erfolgt eine gegenseitige Schmelzbindung und die Formung einer Platte. Beide
Oberflächen der Glasfaserplatte werden geschliffen, damit man eine Bildübertragungsplatte einer Dicke von
3,24 mm erhält Diese wird als Schinnbildplatte einer
Kathodenstrahlröhre benutzt Ein Fluoreszenzstoff wird auf die Innenfläche der Bildübertragungsplatte aufgetragen, während ein lichtempfindkhes Papier in inniger
Berührung auf die Außenfläche aufgesetzt wird. Auf dem lichtempfindlichen Papier wird ein Bild des
Fluoreszenzschirm« genau abgebildet Lichtstrahlen von zwei Punkten des Fluoreszenzschirmes in einem
gegenseitigen Abstand von 0,03 mm ergeben deutlich getrennte Bildpunkte auf dem lichtempfindlichen
Papier.
Einige zehn Glasfasern der Zusammensetzung und Abmessung nach Beispiel 2 werden mit beiden
Endabschnitten in genau gleicher gegenseitiger Lage sorgfältig ausgerichtet; die jeweiligen Endabschnitte
werden mit Hilfe eines Bindemittels festgelegt. Die Fasern werden in der dadurch festgelegten Länge
abgeschnitten. Das erhaltene Faserbündel dient als Lichtübertragungsteil für die Bildübertragung in einem
optischen Instrument für mikmrxoskopische Beobach
tung nach F i g. 9. Mit dem beschriebenen Faserbündel
20 wirkt eine Okularlinse 21 zusammen. Eine Glasplatte 22 dient zum Schutz, ein Lichtleiter 23 für die
Beleuchtung des Gesichtsfeldes und eine Scheide 24 als Mantel. Ein Gegenstand in einem Abstand vor der
Eintrittsfläche des Geräts kann scharf beobachtet werden. Die Beziehung zwischen Gegenstand und Bild
ist in Fig. 10 für einzelne Fasern 25 erläutert Ein gegenüber dem Gegenstand Punvergrößertes, aufrechtes, reelles Bild erscheint außerhalb des Austrittsendes
des Faserbündels in einem Abstand gleich dem Abstand χ zwischen dem Eintrittsende des Faserbündels und dem
Gegenstand. Dieses reelle Bild Q wird mit Hilfe der Okularlinse 21 als virtuelles Bild Q1 beobachtet Das
optische Instrument arbeitet bei Biegungen des
Faserbündels mit einem Krümmungsradius von etwa
5 cm. Gegenstände in unterschiedlichen Entfernungen lassen sich durch Verstellung der Okularlinse und eines
zusätzlichen Objektivs am Eintrittsende des Faserbündels scharf einstellen.
Wenn die Verteilung des Brechungsindex die Beziehung n=N (1—ar2) in einer optischen Faser
einhält hat dieselbe eine Linsenwirkung. Unter der Annahme eines Gegenstandsabstandes L\ gegenüber
der optischen Faser und einer Faserlänge t enthält man
den Bildabstand L2:
Cos(|'2af)
L2 =
Sin(|'2flO
Nach dieser Beziehung erhält man ein reelles Bild, wenn L2 positiv ist ein virtuelles Bild, wenn L2 negativ
ist Die Vergrößerung M ergibt sich zu:
Man erhält ein aufrechtes BQd für einen positiven
Wert M und ein umgekehrtes BQd für einen negativen Wert M
Eine weitere Bildübertragungseinrichtung nach der Erfindung mit einem optischen Faserbündel, die an
einem Stirnende dicht beieinander liegen und am anderen Stirnende jeweils unter Einhaltung der
gegenseitigen relativen Lage gleiche Abstände voneinander haben, ist in Fig. 11 dargestellt Ein Faserbündel
26 nach der Erfindung besteht aus optischen Fasern 27
mit der bereits genannten Verteilung des Brechungsindex und damit mit Bildübertragungseigenschaften. Die
optischen Fasern 27 des Faserbündels sind auf der Lichteintrittsseite gemäß Fig. 13 dicht beieinander
angeordnet und so festgelegt, jedoch auf der Lichtaustrittsseite
gemäß Fig. 14 in gleichem gegenseitigem Abstand angeordnet Die gegenseitige Lage der Fasern
27 ist in beiden Stirnflächen gleich.
Wenn die optischen Fasern 27 eine Länge t haben, der Abstand eines Gegenstandes 28 von dem optischen
Faserbündel 26 Li und der Abstand zwischen dem
Faserbündel 26 und einem Bildschirm 29 La beträgt
sowie die Vergrößerung der Fasern den Wert M hat, kann man ein vergrößertes reelles Bild 30 auf dem ι ο
Bildschirm 29 erhalten, indem man die Länge t und den Abstand L\ einstellt. Wenn der Abstand g zwischen
benachbarten Fasern in der Lichtaustrittsfläche (Fig. 14) zu g=Md eingestellt wird mit d als
Durchmesser einer Faser 27, ergeben sich keine Verzerrungen des Bildes durch die einzelnen Fasern,
wenn das Bild übertragen wird. Das Bild 30 des Gegenstandes 28 erscheint scharf auf dem Bildschirm
29, so daß man scharfe Bilder erhält Der Abstand La
zwischen Faserbündel 26 und Bildschirm 27 sowie die Vergrößerung M genügen in diesem Fall den obigen
Gleichungen (6) und (7).
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 12 erzeugt mittels einer Linse 31 vor dem
Eintrittsende des optischen Faserbündels ein Bild 32 eines Gegenstandes 28 in der Eintrittsfläche des
Faserbündels 26. Das Faserbündel 26 ist in der bereits beschriebenen Weise aus optischen Fasern 27 aufgebaut
Dieselben sind ebenso angeordnet und festgelegt, wie dies anhand der F i g. 11 erläutert ist. Die einzelnen jo
Ausschnitte des Bildes 32 werden durch die jeweiligen optischen Fasern 27 übertragen, so daß man ein
vergrößertes Bild 30 entsprechend dem Bild 32 auf einem Bildschirm 29 erhält Wenn der Abstand g
zwischen benachbarten Fasern in der Lichtaustrittsfläehe des Faserbündels 2Sg= d/cos (j/2T t) beträgt mit t als
Länge der optischen Fasern 27 und d als Durchmesser derselben, erhält man ein scharfes Bild 30 mit M-facher
Vergrößerung yw=l/cosy/2ä t bezogen auf die Größe
des Bildes 32, und zwar auf dem Bildschirm 29 in einem Abstand —tan (j/2ät)lno]f2a von dem optischen
Faserbündel 26. Im Rahmen dieser Ausführungsform der Erfindung kann eine Linse zwischen dem optischen
Faserbündel 26 und dem Bildschirm 29 angeordnet sein, die vorstehend nicht erwähnt wurde.
Das optische Faserbündel nach der Erfindung ist so aufgebaut daß eine Mehrzahl optischer Fasern mit der
angegebenen Verteilung des Brechungsindex und mit Bildübertragungseigenschaften jeweils in einem Endbereich
dicht gepackt angeordnet und in dem jeweils anderen Endbereich unter Einhaltung der gegenseitigen
Lage wie in dem erstgenannten Endbereich mit einem gleichen gegenseitigen Abstand verteilt sind, so daß
man Bilder mit höherem Auflösungsvermögen leicht erhalten kann. Ein solches optisches Faserbündel läßt
sich leicht und mit geringen Kosten herstellen, weil man
Fasern mit vergleichsweise großem Durchmesser verwenden kann. Man erhält in einem Abstand von der
Lichiaustrtittsfiäche des Faserbändels ein scharfes
vergrößertes Bild, das mühelos beobachtet und festgehalten werden kann.
Das optische Faserbündel nach der Erfindung kann auch aus optischen Fasern hergestellt sein, deren
Durchmesser von einer Endfläche zur gegenüberliegenden Endfläche allmählich ansteigt In diesem Fall ist die
gegenseitige Verteilung der Fasern in der jeweils anderen Endfläche gleich wie in der einen Endfläche.
Die Fasern können mit gleichem gegenseitigem Abstand in einer Endfläche und in dichter Packung in
der anderen Endfläche festgehalten sein.
Für die Bildübertragungselemente nach der Erfindung gilt eine Verteilung des Brechungsindex bezüglich
des Abstandes rvom Zentrum eines Querschnitts n=N
(1 — ar1) mit N als Brechungsindex im Zentrum und a als
einer positiven Konstanten. Die Brennweite f eines solchen Bildübertragungselementes beträgt
|/2asin(~l';2flt)
mit t als Dicke des Bildübertragungselementes. Wenn
man folglich das Bildübertragungselement auf eine bestimmte Länge abschneidet erhält man ein Linsenelement
mit einer bestimmten Brennweite und ebenen Stirnflächen.
Hierzu 6 BIaIt Zeichnungen
Claims (2)
1. Optische Bildübertragungseinrichtung mit in einem Bündel angeordneten optischen Fasern, die in
beiden Endflächen jeweils eine gleiche relative Lage zueinander haben und eben geschliffen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß jede Faser eine Querschnittsverteilung des Brechungsindex im
wesentlichen nach der Beziehung n=N(\ — ar*) mit
N als Brechungsindex im Zentrum, η als Brechungsindex in einem Abstand r vom Zentrum und a als
einer positiven Konstanten und eine Faserlänge
(2/n-l)ÄC-'<f<2m?rC-1
15
mit m als einer positiven ganzen Zahl und C=(2a//2
hat und dzmit als Faserlinse wirksam ist
2. Bildübertragungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenlänge t
innerhalb eines Bereiches liegt
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