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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit einem biegsamen Lichtleiter, welcher einen an den Enden geschlossenen Schlauch aus einem Kunststoffmaterial, das einen vorgegebenen Brechungsindex hat, und eine den Schlauch füllende, lichtleitende Flüssigkeit, deren Brechungsindex grösser ist als der des Kunststoffmaterials, enthält.
Unter dem Begriff "Licht" soll hier elektromagnetische Strahlung im ultravioletten sichtbaren und infraroten Spektralbereich verstanden werden.
Durch die Erfindung soll eine Beleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art angegeben werden, die es gestattet, ein'Objekt mit relativ intensivem Licht zu beleuchten, insbesondere, jedoch nicht ausschliesslich, mit Licht aus dem nahen Ultraviolett und dem sichtbaren Spektralbereich.
Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine Beleuchtungseinrichtung anzugeben, die die folgenden vorteilhaften Eigenschaften hat : a) Die Beleuchtungseinrichtung soll Ausgangs-Strahlungsleistungen bis zu mehreren Watt im
Dauerbetrieb abgeben können ; b) die Beleuchtungseinrichtung soll stabil sein, d. h. ihr Wirkungsgrad soll weder durch intensive
Strahlung, insbesondere Ultraviolettstrahlung, noch durch längeren Betrieb oder längere
Lagerung übermässig verschlechtert werden ; c) die Beleuchtungseinrichtung soll kompakt und wirtschaftlich im Aufbau sein, sich mit
Lichtquellen verwenden lassen, die preiswert in der Anschaffung und im Betrieb sind, insbesondere mit Metalldampf- (z.
B. Quecksilber-) oder Xenon-Hochdruck-Lampen, oder Wolfram-Halogen-Glühlampen. d) die Beleuchtungseinrichtung soll sich bequem manipulieren lassen, so dass auch schlecht zugängliche Objekte beleuchtet werden können ; e) der Lichtaufnahmewinkel sowie die Transmission des Lichtleiters der Beleuchtungseinrichtung sollten möglichst gross sein.
Eine Beleuchtungseinrichtung mit diesen Eigenschaften wird z. B. in der Zahnheilkunde zur Polymerisation von Kunststoff-Zahnfüllungen mit ultraviolettem Licht zu Diagnosezwecken und zu Behandlungszwecken sowie in der Endoskopie zur Beleuchtung und Behandlung benötigt.
Die bekannten Beleuchtungseinrichtungen der eingangs genannten Art lassen alle in der einen oder andern Hinsicht zu wünschen übrig. Beleuchtungseinrichtungen mit Faserbündel-Lichtleiter sind wegen der notwendigen Verkittung der Faserbündelenden nicht in der Lage, hohe Strahlungsleistungen zu übertragen und haben vor allem- im ultravioletten Spektralbereich einen schlechten Wirkungsgrad.
Beleuchtungseinrichtungen mit einem biegsamen Lichtleiter aus einer einzigen dünnen Quarzfaser müssen einen teuren Laser als Lichtquelle enthalten, da solche Lichtleiter nicht Strahlung von divergenten Flächenstrahlern, wie es z. B. die Quecksilberhochdrucklampe ist, übertragen können.
Die bekannten Beleuchtungseinrichtungen mit einem biegsamen Lichtleiter, welcher aus einem Kunststoffschlauch besteht, der mit einer organischen Flüssigkeit, wie CC14, gefüllt ist, sind zeitlich nicht stabil, da die Flüssigkeit durch den Kunststoffschlauch abdiffundiert und/oder durch Ultraviolettstrahlung zersetzt wird, so dass im Schlauch Gasbläschen oder Zersetzungsprodukte entstehen, die die Transmission des Lichtleiters und damit den Wirkungsgrad der Beleuchtungseinrichtung untragbar verringern. Ausserdem ist die Transmission dieser bekannten Lichtleiter wegen der grossen Unterschiede der Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kunststoff und Flüssigkeit sehr temperaturempfindlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungseinrichtung anzugeben, die die oben geschilderten vorteilhaften Eigenschafen hat und die erwähnten Nachteile der bekannten Beleuchtungseinrichtung vermeidet.
Diese Aufgabe wird bei einer Beleuchtungseinrichtung mit einem biegsamen Lichtleiter, welcher einen an den Enden geschlossenen Schlauch aus einem Kunststoffmaterial, das einen vorgegebenen Brechungsindex hat, und eine den Schlauch füllende, lichtleitende Flüssigkeit, deren Brechungsindex grösser ist als der des Kunststoffmaterials, enthält, erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Flüssigkeit bezüglich des Kunststoffmaterials so gewählt ist, dass der Randwinkel, den eine freie Flüssigkeitsoberfläche mit einer anschliessenden, von der Flüssigkeit bedeckten Fläche des Kunststoffmaterials bildet, grösser als 900 ist.
Die erfindungsgemäss vorgeschlagene Flüssigkeit benetzt somit das Kunststoffmaterial nicht.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Flüssigkeit hygroskopisch, d. h. sie strebt Wasserdampf aus der umgebenden Atmosphäre aufzunehmen, in der die Beleuchtungseinrichtung normalerweise verwendet werden soll.
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Weitere Merkmale, Ziele und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und der
Zeichnung hervor.
In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung etwas vereinfacht und zum Teil als Schaltbild dargestellt.
Mit der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um eine
Beleuchtungseinrichtung zur Polymerisation von Kunststoff-Zahnfüllungen. Beleuchtungseinrichtungen für diesen Zweck sind ein bevorzugtes, jedoch nicht ausschliessliches Anwendungsgebiet der Erfindung.
Die in der Zeichnung dargestellte Beleuchtungseinrichtung enthält eine Lichtquelle --10-- und einen flexiblen Lichtleiter --12--. Die Lichtquelle --10-- enthält eine Quecksilber-Hochdruck-Lampe --14--, die mit einem Betriebsdruck in der Grössenordnung von etwa 1 bis 2 atü arbeitet und z. B. einen Hauptelek- trodenabstand von 15 bis zirka 20 mm und einen Nennstrom von zirka 1 A hat. Die Hauptelektroden sind in Reihe mit einer Ballastschaltung --16-- an eine Wechselspannungsquelle --18-- angeschlossen. Der eine
Pol der Wechselspannungsquelle ist ausserdem in üblicher Weise über eine Zündschaltung --20-- mit einer Zündelektrode --22-- verbunden.
Die Ballastschaltung --16-- enthält eine erste Vorschaltdrossel --24--, die dauernd eingeschaltet und so bemessen ist, dass durch die Quecksilber-Hochdruck-Lampe --14-- ein relativ kleiner Strom fliesst, der zwar eine stabile Entladung gewährleistet, aber möglichst weit unter dem Nennstrom liegen soll, um eine lange Lebensdauer der Lampe zu gewährleisten, und möglichst wenig Wärme im Lichtkasten erzeugt, da z. B. bei der Anwendung zur Polymerisation in der Zahnheilkunde die relative Benutzungsdauer nur zirka
5% beträgt.
Der Vorschaltdrossel --24-- akn durch einen Schalter --26-- eine zweite Vorschaltdrossel - -28-- parallelgeschaltet werden, die so bemessen ist, dass die Summe der die beiden parallelgeschalteten
Vorschaltdrosseln --24 und 28-- durchfliessende Strom gleich oder vorzugsweise grösser als der Nennstrom ist. Dieser Gesamtstrom kann z. B. das Doppelte des Nennstromes betragen und hat zur Folge, dass die Quecksilber-Hochdruck-Lampe --14-- für die Dauer des Schliessens des Schalters --26-- eine hohe
Strahlungsleistung abgibt.
Der Schalter --26-- kann mittels eines Druckknopfes --30-- (der sich vorzugsweise beim Lichtaustrittsende des Lichtleiters befindet) geschlossen werden und wird in der Praxis nur kurzzeitig betätigt, so dass die Lebensdauer der Lampe durch die Überlastung nicht übermässig star herabgesetzt wird. Die hohe Strahlungsleistung steht beim Schliessen des Schalters --26-- sofort zur Verfügung, da die Lampe durch den schwachen Strom, der durch die Vorschaltdrossel-24-fliesst, im ausgewärmten Zustand gehalten wird.
Die Lampe --14-- ist in einem nur schematisch dargestellten lichtdichten Gehäuse --32-- unterge- bracht, in das das Lichteintrittsende des Lichtleiters --12-- hineinragt. Der Lichtleiter --12-- besteht im wesentlichen aus einem Kunststoffschlauch --34--, der mit einer lichtleitenden Flüssigkeit --36-- gefüllt ist. Die Enden des Kunststoffschlauches sind durch zylindrische, längliche Fenster --38 und 40-- aus Quarz, Quarzglas oder anderem strahlungsdurchlässigen Material flüssigkeitsdicht verschlossen.
Eine dichte Verbindung zwischen den Enden des Schlauches --34-- und den Fenster --38 bzw. 40-wird durch zylindrische Klemmstücke-42 bzw. 44-- bewirkt. Das aus dem Klemmstück-42- herausstehende Stück des relativ langen Lichteintrittsfensters --38-- ist durch ein Röhrchen --46-- gegen mechanische Beschädigungen geschützt. Das Röhrchen --46-- besteht vorzugsweise aus nicht rostendem Stahl und umgibt das Fenster --38-- mit geringem Abstand.
An das Lichtaustrittsfenster --40-- schliesst sich ein abnehmbarer und drehbarer Lichtleiterteil --48-- an, der aus einem gekrümmten strahlungsdurchlässigen Stab --50-- besteht, der plangeschliffene Enden hat und am einen Ende in einer auf das Klemmstück --44-- aufsteckbaren und gegenüber diesem drehbaren Hülse --52-- aus Metallen und Kunststoff gehaltert ist. Der Durchmesser des Stabes --50-- ist vorzugsweise etwas grösser als der des Fensters --40--. Der Stab kann z. B. um einen Winkel von etwa 600 gebogen sein. Der Stab --50-- ist ganz oder auf seinem vorderen Teil mit einem Kunststoffschlauch --54--, z. B. aus Teflon FEP, überzogen, der zur optischen Isolation dient.
Der Kunststoffschlauch --54-- ist mit einem Schlauch --55-aus Silikongummi umgeben, der den Stab --50-- gegen mechanische Beschädigungen durch Stösse u. dgl. schützt.
Die Lichtaustrittsfläche --50a-- des Stabes --50-- kann mit einer transparenten Schicht --54a-- aus Teflon PFA, FEP oder PTFE überzogen sein, so dass die Lichtaustrittsfläche an Körpergewebe angedrückt und wieder ohne zu haften entfernt werden kann.
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Das Fenster --38-- besteht vorzugsweise aus Quarz und ist relativ lang, damit die Flüssigkeit --36-- nicht durch die in der Lichtquelle --10-- entstehenden Hitze erwärmt wird. Das Austrittsfenster --40-- und der Stab --50-- können aus Quarz, Quarzglas oder einem höher brechenden Glas, wie z. B. vom
Typ BK 7 bestehen.
Der Kunststoffschlauch --34-- besteht vorzugsweise aus einem Kohlenstoff und Halogen, insbesondere
Fluor, enthaltenden Polymeren, wie Polytetrafluoräthylenhexafluorpropylen ("Teflon FEP"), Polytetrafluor- äthylen (Teflon PTFE) oder Polyperfluoralkyläther ("Teflon PFA") oder irgendeinem andern, hinsichtlich der verwendeten Strahlung genügend beständigen Kunststoff, im Falle von sichtbarem Licht z. B. auch
4-Methylpenten-1, Polymethylpenten, Polyvinylchlorid, Polyäthylen, Silicon. Das bevorzugte Material für den Schlauch --34-- ist Teflon FEP.
Die Flüssigkeit-36-soll erfindungsgemäss die Innenwand des Schlauches --34-- nicht benetzen und vorzugsweise hygroskopisch sein. Beide Massnahmen tragen dazu bei, das Abdiffundieren von Flüssigkeit durch den Schlauch --34-- nach aussen weitestgehend zu unterdrücken, so dass der Schlauch --34-- vollständig gefüllt bleibt und sich keine Gasblasen in ihm bilden können, die die Transmission herabsetzen würden und zu Beschädigungen des Schlauches durch erhöhte Strahlungsbelastung führen können.
Wesentlich ist, dass der Brechungsindex der Flüssigkeit --36-- etwas, z. B. bis zu einem Zehntel, höher ist als der des Materials des Schlauches --34--.
Besonders geeignete Flüssigkeiten sind wässerigen anorganische Lösungen, insbesondere Salzlösungen, z. B. Lösungen von wasserlöslichen Alkali- und Erdalkalihalogeniden. Bevorzugt werden hier hygroskopische Salze, wie CaCl, CsCl, CsF und MgCLj. Auch andere Salze, wie Nitrate, Phosphate u. dgl. können verwendet werden.
Die Kombination eines Kunststoffschlauches, insbesondere Teflon-FEP-Schlauches mit einer wässerigen Lösung eines anorganischen Salzes als Füllflüssigkeit, ist aus folgenden Gründen besonders vorteilhaft : Wasser, insbesondere salzhaltiges, hat eine grosse spezifische Wärme und Verdampfungswärme, so dass sich die Flüssigkeit bei Strahlungsabsorption nur langsam erwärmt und nur langsam in den Dampfzustand übergeht. Ferner haben Teflon-FEP und Wasser nahezu den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, so dass bei Erwärmung oder Abkühlung des Lichtleiters weder übermässige Drücke noch Gasblasen entstehen.
Da die Flüssigkeit den Kunststoffschlauch nicht benetzt, dringt die Flüssigkeit auch nicht in etwaige Poren des Kunststoffschlauches ein und das Entweichen von Flüssigkeit aus dem Kunststoffschlauch wird weitgehend vermieden. Die Nichtbenetzung verbessert ausserdem die Totalreflexion an der Grenzschicht Flüssigkeit-Kunststoff, da diese Grenzschicht wegen der Nichtbenetzung relativ scharf und glatt ist, letzteres weil die Flüssigkeit wegen der Nichtbenetzung etwaige kleine Unebenheiten der Innenfläche des Kunststoffschlauches überspannt und sich nicht an diese anschmiegt. Bei der Verwendung des Lichtleiters zur Transmission von UV-Strahlung hat eine anorganische lichtleitende Flüssigkeit, wie z.
B. eine konzentrierte wässerige CaCl2-Lösung im Gegensatz zu den meisten organischen Flüssigkeiten den Vorteil, dass die UV-Strahlung keine Zersetzung oder chemische Veränderung der Flüssigkeit bewirkt, was meistens eine Verminderung der Transmission zur Folge hat.
Unter einer nicht benetzenden Flüssigkeit wird, wie üblich, eine Flüssigkeit verstanden, die in einem senkrecht stehenden Röhrchen aus dem betreffenden Kunststoff einen nach oben konvexen Meniskus bildet, d. h. in der Mitte des Röhrchens höher steht als an den Wandflächen.
Ausser wässerigen Salzlösungen können als Füllflüssigkeiten ferner gewisse organische Flüssigkeiten,
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B.(Brechungsindex n = zirka 1, 47) oder Äthylenglykol (n = zirka 1, 43).
Die Flüssigkeit kann ausserdem färbende Salze, die als Strahlungsfilter dienen, enthalten, insbesondere Salze, wie CoCl2 und ( (NOg) . Wegen der Filterwirkung der Flüssigkeit kann auf ein äusseres Filter verzichtet werden und man kann die Lichtquelle, wie in der Zeichnung dargestellt, unmittelbar am Lichteintrittsende des Lichtleiters anordnen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestand der Schlauch --34-- aus Teflon FEP (n = 1, 35) und die Flüssigkeit bestand aus einer wässerigen Lösung, die 150 g Cal2. 4 H20 suprarein pro 100 ml doppelt destilliertes H20 enthielt und einen Brechungsindex von etwa 1, 43 hatte. Als Farbstoff für selektive Transmission im nahen Ultraviolett kann die obige Lösung ferner noch zwischen 10 und 200 mg CoCLj. 6 H20 enthalten. Ein geringer Zusatz von Co (NOg) schneidet gegebenenfalls unerwünschte kurzwellige UV-Strahlung ab.
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Wenn die Beleuchtungseinrichtung in einer Umgebung mit extrem niedrigem Wasserdampfdruck verwendet werden soll, wird der Schlauch --34-- vorzugsweise noch mit einem zweiten Schlauch --58-umgeben. Der Schlauch --58-- soll eine möglichst kleine Durchlässigkeit für die Flüssigkeit --36-- haben, an seinen Brechungsindex und seine sonstige Beschaffenheit (Glätte der Innenwand, Transparenz für die verwendete Strahlung, Beständigkeit gegen die verwendete Strahlung) werden jedoch nicht so hohe Anforderungen gestellt als an den , Schlauch-34-.
Vorzugsweise ist der Innendurchmesser des Schlauches --58-- etwas grösser als der Aussendurchmesser des Schlauches --34--, so dass zwischen den beiden Schläuchen ein Zwischenraum --60-- verbleibt, der mit der Flüssigkeit --36-- oder einer andern Flüssigkeit gefüllt ist. Falls die Flüssigkeit --36-- eine Lösung ist, kann die Flüssigkeit im Zwischenraum - weniger konzentriert sein oder nur das Lösungsmittel enthalten. Der Schlauch --58-- ist ebenfalls an den Klemmstücken-42 und 44-befestigt und besteht vorzugsweise aus Polyäthylen oder Silicon, die eine sehr geringe Wasserdampfdurchlässigkeit haben.
In der Praxis kann für eine Beleuchtungseinrichtung der dargestellten Art eine Anzahl verschiedener
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trittsende hin verjüngendem Stab.
An STelle einer Quecksilber-Hochdruck-Lampe --14-- kann auch eine andere Lichtquelle verwendet werden, z. B. eine Metalldampf- oder Xenon-Hochdrucklampe bzw. Höchstdrucklampe (super pressure lamp) oder auch eine Wolframfaden-Glühlampe. Die genannten Entladungslampen können auch im Impulsbetrieb betrieben werden, um die UV-Ausbeute zu erhöhen.
Die Begriffe "Wasser" und "wässerige Lösung" sollen auch schweres Wasser (D20) einschliessen. Auch bei den andern Füllflüssigkeiten kann H ganz oder teilweise durch D ersetzt sein.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Beleuchtungseinrichtung mit einem biegsamen Lichtleiter, welcher einen an den Enden geschlossenen Schlauch aus einem Kunststoffmaterial, das einen vorgegebenen Brechungsindex hat, und eine den Schlauch füllende lichtleitende Flüssigkeit, deren Brechungsindex grösser ist als der des
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des Kunststoffmaterials so gewählt ist, dass der Randwinkel, den eine freie Flüssigkeitsoberfläche mit einer anschliessenden, von der Flüssigkeit bedeckten Fläche des Kunststoffmaterials bildet, grösser als 900 ist.