DE10040875C2 - Lichtsammeloptik mit einem kegelstumpfförmigen Element, diese enthaltendes Bestrahlungsgerät und deren bzw. dessen Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtsammeloptik ohne einheitlichen Brennpunkt in der Form eines Kegelstumpfes und ein diese enthaltendes Bestrahlungsgerät, sowie deren bzw. dessen Verwendung im Dentalbereich. Die Erfindung ermöglicht insbesondere eine Verbesserung der Lichteinkopplung von auf LED basierenden faseroptischen Beleuchtungs- und Bestrahlungsgeräten in Lichtleiter durch Erhöhung der Lichtintensität und Verbesserung des Wirkungsgrades.

Bekannt sind Bestrahlungsgeräte zum Aushärten von lichthärtenden Kunststoffen, die LEDs als Lichtquelle verwenden. Das Licht wird dabei in einen Lichtleiter eingekoppelt und durch diesen an den Behandlungsort im Mund geleitet.

In der WO-A-00/13608 wird die Lichteintrittsöffnung des Lichtleiters direkt von einer Anzahl von LEDs beleuchtet. Durch den Öffnungsquerschnitt der Eintrittsöffnung ist die Anzahl der verwendbaren LEDs limitiert. Deshalb werden die LEDs dort in Überlast betrieben, um eine ausreichende Lichtintensität zu erreichen. Dies führt zu schnellem Verschleiß, einem schlechteren Wirkungsgrad der LEDs und einem überproportional hohen Anteil an Verlustwärme.

Mit dem in der WO-A-99/16136 beschriebenen Gerät wird das Licht mehrerer hintereinander geschalteter LED-Arrays mit einem mehrfachkonischen Lichtleiter gesammelt. Auch hier ist die Anzahl der LEDs pro Array limitiert durch den Querschnitt der Lichteintrittsöffnungen.

In der WO-A-99/35995 wird die Verwendung einer Sammeloptik vorgeschlagen, die das Licht einer größeren Anzahl von LEDs auf die Lichteintrittsöffnung fokussieren soll. Als Ausführungsbeispiel wird eine optische Sammellinse vorgeschlagen. Eine solche Linse wird auch in der JP-8-141001 vorgeschlagen. Die Linse soll das Licht von LEDs eines Arrays bündeln, dessen Abmessung deutlich größer ist als der Querschnitt der Lichteintrittsfläche eines Lichtleiters. Allerdings gelingt dies nur für die Strahlen, die im wesentlichen parallel zu der optischen Achse der Linse verlaufen. Diese Strahlen werden im Brennpunkt der Linse, in dem sich die Lichteintrittsöffnung befindet, konzentriert.

Geringfügig von dieser parallelen Einstrahlrichtung abweichende Strahlen werden zwar abhängig von der Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung auch auf die Eingangsöffnung gelenkt. Da LEDs Licht in Lichtkegeln mit einem Öffnungswinkel von typischerweise +/-15° oder größer emittieren, kann mit einer Linse oder einer Kombination aus mehreren Linsen ein erheblicher Teil des Lichtes nicht auf den Lichtleiter fokussiert werden. Durch Brechung wird nämlich ein nicht unerheblicher Anteil des Lichtkegels abgelenkt und kann nicht in den Lichtleiter eingekoppelt werden.

Denkbar ist auch durch Verkippen der optischen Achsen der LEDs, Licht eines Arrays zu sammeln, dessen Abmessung größer ist als der Querschnitt der Lichteintrittsöffnung, wie es in der DE 199 43 393 C1 gezeigt ist. Aber auch hierbei müssen limitierende Randbedingungen eingehalten werden. So darf der Wert des Kippwinkels plus des halben Öffnungswinkels nicht den Akzeptanzwinkel des Lichtleiters überschreiten, da ansonsten keine Einkopplung stattfindet. Zudem ist die maximale Anzahl der LEDs limitiert. Die Verwendung einer Sammellinse würde keine Verbesserung bringen, sondern sogar zu einer Verschlechterung führen, da ein erheblicher Anteil der Strahlen der einzelnen LEDs durch die Ablenkung der Linse von der Eintrittsöffnung weg gelenkt werden würde.

Bekannt sind auch Bestrahlungsgeräte mit konischen Sammeloptiken, wie Lichtleitkörpern (WO 97/36552) oder Lichtsammeltrichtern (US 5,803,729), die mittels Totalreflexion oder Spiegelung Lichtstrahlen sammeln und auf die Eintrittsfläche eines Lichtleiters bündeln sollen. Auch bei derart reflektorisch arbeitenden optischen Elementen kommt es zu erheblichen Strahlungsver­ lusten. Da sich der Ablenkwinkel eines Lichtstrahls bei jeder Reflexion um den Konuswinkel vergrößert, wird schon nach wenigen Reflexionen der erlaubte Winkel, unter dem noch Totalreflexion möglich ist, überschritten oder, im Falle einer Verspiegelung, die Richtung des Strahls sogar umgekehrt, wodurch er wieder zur Emissionsfläche zurückgestrahlt wird und nicht für die Bestrahlung genutzt werden kann.

Folglich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lichtsammeloptik und ein Bestrahlungsgerät bereitzustellen, welche die genannten Probleme vermeiden und eine möglichst hohe Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Lichtes ermöglichen. Dabei soll insbesondere eine Sammeloptik angegeben werden, die zwar im wesentlichen die auf die Eintrittsöffnung ausgerichteten Lichtkegel ungestört transmittiert, aber dennoch die eingekoppelte Lichtleistung zu steigern vermag, in dem sie das Licht einer größeren Anzahl von LEDs sammeln kann.

Ferner sollen Verwendungen für die Lichtsammeloptik und das Bestrahlungsgerät angegeben werden.

Diese Aufgabe wird mit einer Lichtsammeloptik, einem Bestrahlungsgerät sowie den Verwendungen gemäß den nebengeordneten Patentansprüchen gelöst.

Die erfindungsgemäße Sammeloptik fokussiert Licht überwiegend refraktorisch, d. h. durch Lichtbrechung und weist vorzugsweise keine künstlich aufgebrachten reflektorischen Elemente, wie Spiegel, auf.

Umfasst sind allerdings Totalreflexionen an Grenzschichten, die je nach Einfallswinkel der auftreffenden Strahlen unweigerlich auftreten, aber nicht zur Lösung der Aufgabe beitragen. Durch selektive Lichtbrechung lediglich in einem Teil des optischen Weges zwischen lichtemittierenden Elementen und Lichteintrittsöffnung eines Lichtleiters kann die eingekoppelte Lichtmenge beträchtlich gesteigert werden.

Die Erfindung beruht dabei auf folgender Erkenntnis:
Wenn bei den im Stand der Technik beschriebenen Anordnungen die Zahl der lichtemittierenden Elemente über die optimale Anzahl erhöht wird, führt dies dazu, dass immer mehr Strahlen an der Eintrittsöffnung vorbei leuchten und somit nicht in den Lichtleiter eingekoppelt werden können. Unabhängig davon wird ein erheblicher Anteil nach wie vor auf die Eintrittsöffnung des Lichtleiters treffen.

Ziel ist es also, den Strahlengang dieser Strahlen unverändert zu lassen, während die an der Eintrittsöffnung vorbei gerichteten Strahlen zur Eintrittsöffnung hin gebrochen werden.

Dies gelingt dadurch, dass in den Strahlengang eine plane, transparente Scheibe eingeschoben wird, deren Randbereich im Querschnitt prismenförmig ausgeformt ist.

Durch Einbau einer derartigen Sammeloptik in den Strahlengang zwischen lichtemittierenden Elementen und Eintrittsöffnung eines Lichtleiters sind zudem die lichtemittierenden Elemente vor äußeren Einflüssen, wie Eindringen von Schmutz und Feuchtigkeit besser geschützt.

Unter dem Begriff kegelstumpfförmig sind alle geometrischen Formen zu verstehen, die eine einem klassischen Kegelstumpf angenäherte Gestalt aufweisen.

Ohne einheitlichen Brennpunkt bedeutet, dass die erfindungsgemäße Sammeloptik im Unterschied zu einer Linse die Lichtstrahlen nicht punktförmig in einem Brennpunkt zu bündeln versucht, sondern die Strahlen auf einen kreisförmigen Fokusbereich konzentriert, dessen Durchmesser im wesentlichen dem der kleineren Fläche des Kegelstumpfes entspricht.

Unter lichtemittierender Einheit im Sinne der Erfindung ist jede Form von Strahlungsquelle zu verstehen, die Licht erzeugt, vorzugsweise mit einer Wellenlänge im Bereich von 400 bis 500 nm. Vorzugsweise erfolgt diese Emission gerichtet. Die lichtemittierende Einheit umfasst mindestens ein lichtemittierendes, vorzugsweise eine Mehrzahl von lichtemittierenden Elementen.

Insbesondere fallen hierunter lichtemittierende Dioden (LED). Möglich ist aber auch der Einsatz von Laserdioden, wie sie in der EP-A-0 755 662 beschrieben werden.

Eine lichtaufnehmende Einheit im Sinne der Erfindung ist jede Vorrichtung, die fähig ist, Licht, das von der lichtemittierenden Einheit bzw. den lichtemittierenden Elementen erzeugt wird, aufzunehmen und gerichtet wieder abzugeben.

Üblicherweise handelt es sich hierbei um sogenannte Lichtleiterstäbe, die aus einer Vielzahl von gebündelten Glasfasern bestehen. Diese Lichtleiterstäbe sind über eine Kupplung oder ein Gewinde reversibel mit der lichtemittierenden Einheit bzw. dem diese enthaltenden Gehäuse verbindbar.

Umfasst sind aber auch herkömmliche Filterscheiben, Streulichtscheiben, Lichtwellenkonverter, wie sie in der Anmeldung DE 100 06 286 C1 beschrieben werden.

Die Begriffe "enthalten" und "umfassen" im Sinne der Erfindung leiten eine nichtabschließende Aufzählung von Merkmalen ein.

Eine zusätzliche Steigerung der einkoppelbaren Lichtmenge kann dadurch erreicht werden, dass der Kegelstumpf im Zentrum eine durchgehende Bohrung oder zylinderförmige Vertiefung aufweist. In diesem Bereich kommt es damit zu keiner oder nur einer geringfügigen Schwächung des Lichts infolge unerwünschter Absorption durch das Material der Sammeloptik.

Die Bohrung oder Vertiefung in der Sammeloptik ist geometrisch aber derart zu gestalten bzw. die Sammeloptik im Strahlengang so anzuordnen, dass die an den zusätzlich geschaffenen Grenzflächen auftretenden Reflexionen nicht dazu führen, dass das in die Sammeloptik eintretende Licht an der Eintrittsöffnung einer der Sammeloptik nachgeordneten lichtaufnehmenden Einheit vorbeigestreut wird.

Geometrische Kenngrößen, die sich zur Kennzeichnung der erfindungsgemäßen Sammeloptik eignen, sind beispielsweise Durchmesser der beiden Kegelflächen, Höhe des Kegelstumpfes und Neigungswinkel der Kegelmantelfläche.

Ein Neigungswinkel im Bereich von 10 bis 50°, vorzugsweise 25 bis 40° hat sich als günstig erwiesen.

Es hat sich gezeigt, dass auch eine Sammeloptik mit einer konvexen Anschrägung der Kegelmantelfläche sich eignet, Licht in einen Lichtleiter einzukoppeln.

Vorzugsweise entspricht der Durchmesser der kleineren planaren Kegelfläche dem Durchmesser der Lichteintrittsöffnung des Lichtleiters.

Eine erfindungsgemäße Sammeloptik hat beispielsweise folgende geometrischen Abmessungen: Durchmesser der kleineren Kegelfläche im Bereich von 6 bis 12 mm, Durchmesser der größeren Kegelfläche im Bereich von 10 bis 14 mm, Höhe des Kegelstumpfes im Bereich von 1 bis 3 mm, Neigungswinkel der Mantelfläche im Bereich von 10 bis 50°, Krümmungsradius bei konvex gekrümmter Mantelfläche im Bereich von 5 bis 20 mm.

Je nach Anwendungsgebiet kann es auch vorteilhaft sein, zwei Sammeloptiken einzusetzen, die mit ihren Oberflächen so aufeinandergelegt sind, dass ein diskusförmiges Gebilde entsteht. Vorteilhaft ist es auch, die Sammeloptik zu entspiegeln.

Je nach Anwendungsbereich kann die Sammeloptik abhängig vom Material und der Einfärbung auch als Filter eingesetzt werden.

Die Orientierung der Sammeloptik beim Einbringen in den Strahlengang erfolgt derart, dass die im Durchmesser größere Kegelfläche der Eintrittsöffnung eines Lichtleiters zugewandt ist.

Durch Kombination der erfindungsgemäßen Sammeloptik mit einer bestimmten Anordnung der lichtemittierenden Elemente lässt sich die in die lichtaufnehmende Einheit einkoppelbare Lichtmenge noch steigern.

Geeignet ist beispielsweise eine gegebenenfalls geneigte Anordnung der lichtemittierenden Elemente, so dass der Fokusbereich auf die Eintrittsöffnung der lichtaufnehmenden Einheit gerichtet ist (siehe DE 199 43 393 C1).

Folgende Anordnung hat sich in diesem Fall als besonders günstig erwiesen:
Die lichtemittierenden Elemente sind in mindestens zwei Ebenen parallel zur Eintrittsöffnung der lichtaufnehmenden Einheit angeordnet, wobei die lichtemittierenden Elemente der der Eintrittsöffnung nächstliegenden Ebene auf einer Ringfläche und die lichtemittierenden Elemente der der Eintrittsöffnung am weitesten entfernt liegenden Ebene auf einer Kreisfläche angeordnet sind, und wobei der von den Elementen der von der Eintrittsöffnung am weitesten entfernt liegenden Ebene emittierte Lichtkegel im wesentlichen vollständig durch die jeweils oberhalb angeordnete Ringöffnung der vorgelagerten Ebene hindurch auf die Eintrittsöffnung trifft, und wobei sich im Bereich zwischen den mindestens zwei Ebenen vorzugsweise keine zusätzlichen lichtfokussierenden Elemente befinden.

Die Sammeloptik ist vorzugsweise derart im Bestrahlungsgerät angeordnet, dass die Fläche des Fokusbereichs der Fläche der Eintrittsöffnung der lichtaufnehmenden Einheit entspricht.

Die Sammeloptik kann grundsätzlich aus jedem für die gewünschte Strahlung transparenten Material gefertigt sein, das eine Brechung der Strahlen gemäß dem Snellius'schen Brechungsgesetz erlaubt.

Bevorzugte transparente Materialien sind Glas und Kunststoffe, wie PMMA und Polycarbonat.

Verwendbare Materialien haben vorzugsweise einen Brechungsindex im Bereich von 1,4 bis 1,6.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden nachstehend anhand der Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Bestrahlungsgerätes ohne Lichtsammeloptik im Querschnitt.

Fig. 2 zeigt schematisch einen Ausschnitt eines Bestrahlungsgerätes mit Lichtsammeloptik im Querschnitt.

Unterhalb der Figuren ist beispielhaft eine mögliche Anordnung der lichtemittierenden Elemente in Draufsicht dargestellt.

In Fig. 1 ist eine unverkippte Anordnung von lichtemittierenden Elementen (1), analog zur WO-A-00/13608, gezeigt. Das Licht der Lichtkegel fällt dabei vollständig auf die Lichteintrittsfläche (2) des Lichtleiters (3). Bei den gegebenen Dimensionen können maximal 6 lichtemittierende Elemente ringförmig angeordnet werden. Eine siebte findet im Zentrum des Rings Platz. Bei einer Vergrößerung des Arraydurchmessers würden zwar mehr lichtemittierende Elemente untergebracht werden können, deren Licht würde aber zum Teil am Lichtleiter vorbei leuchten und somit verloren gehen.

In Fig. 2 wurde die erfindungsgemäße Lichtsammeloptik (4) eingefügt. Die Anzahl, der lichtemittierenden Elemente im äußeren Ring kann jetzt auf zehn erhöht werden. Ohne Sammeloptik würde etwa die Hälfte der Strahlen (gestrichelt) am Lichtleiter vorbei leuchten. Lediglich der ins Zentrum gerichtete Strahlenanteil trifft auf die Eintrittsöffnung des Lichtleiters. Mit der erfindungsgemäßen Sammeloptik bleibt der Weg dieser Strahlen unbeeinflusst (bis auf eine geringfügige und nicht störende Parallelverschiebung, die in der Skizze nicht berücksichtigt wurde), da sie durch den planaren Bereich der Sammeloptik treten. Der nach außen gerichtete Anteil des Leuchtkegels trifft auf den prismenförmigen Rand der Scheibe und wird somit in Richtung der Lichteintrittsöffnung gelenkt. Dadurch, dass der Durchmesser des Arrays vergrößert wurde, finden jetzt vier lichtemittierende Elemente im Zentrum des Arrays Platz. Das von ihnen emittierte Licht trifft nun ebenfalls über den planaren Bereich der Sammeloptik auf die Eintrittsöffnung des Lichtleiters.

Das erfindungsgemäße Bestrahlungsgerät eignet sich im Dentalbereich insbesondere zum Belichten und Initiieren von zumindest teilweise durch Licht härtbaren Massen, wie Füllungsmaterialien, enthaltend polymerisierbare Bestandteile und ein lichtempfindliches Initiierungssystem.

Das Bestrahlungsgerät kann aber auch zum Beleuchten des Behandlungsortes und Durchleuchten von Zahnhartsubstanz verwendet werden.

Claims (8)

1. Lichtsammeloptik ohne einheitlichen Brennpunkt, die in einem Bestrahlungsgerät zwischen einer lichtemittierenden Einheit und einer lichtaufnehmenden Einheit angeordnet ist und von der lichtemittierenden Einheit abgegebenes Licht auf eine Lichteintrittöffnung der lichtaufnehmenden Einheit richtet, wobei
die Lichtsammeloptik ein kegelstumpfförmiges Element aus lichtbrechendem Material aufweist, dessen kleinere Planfläche der lichtemittierenden Einheit und dessen größere Fläche der lichtaufnehmenden Einheit zugewandt ist,
ein Teil des von der lichtemittierenden Einheit abgegebenen Lichts auf die Mantelfläche des Elements fällt,
der auf die Mantelfläche fallende Anteil des Lichts durch Brechung in das Element hinein auf die Lichteintrittsöffnung der lichtaufnehmenden Einheit hin gerichtet wird.

2. Lichtsammeloptik nach Anspruch 1, wobei das kegelstumpfförmige Element im Zentrum eine durchgehende Bohrung oder zylinderförmige Vertiefung aufweist.

3. Lichtsammeloptik nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Neigungswinkel der Mantelfläche des kegelstumpfförmigen Elements im Bereich von 10 bis 50° liegt.

4. Lichtsammeloptik nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend ein Material mit einem Brechungsindex im Bereich von 1,4 bis 1,6.

5. Lichtsammeloptik nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der zwei kegelstumpfförmige Elemente in Form eines Diskus angeordnet sind.

6. Bestrahlungsgerät mit einer Lichtsammeloptik nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die lichtemittierende Einheit mehrere lichtemittierende Elemente aufweist, die derart geneigt angeordnet sind, dass der Fokusbereich auf die Eintrittsöffnung der lichtaufnehmenden Einheit oder die Oberfläche der Sammeloptik gerichtet ist.

7. Verwendung einer kegelstumpfförmigen Lichtsammeloptik nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Erhöhung der in eine lichtaufnehmende Einheit eines Bestrahlungsgerätes einkoppelbaren Lichtmenge.

8. Verwendung des Bestrahlungsgeräts nach Anspruch 6 im Dentalbereich, insbesondere zur Bestrahlung von zumindest teilweise durch Licht härtbaren Materialien.