DE102009048831B4

DE102009048831B4 - Verfahren zum Betreiben von Hochdruckentladungslampen

Info

Publication number: DE102009048831B4
Application number: DE200910048831
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr. 10439 Hartwig
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2011-07-21
Anticipated expiration: 2029-10-10
Also published as: US20120194084A1; US9030133B2; CN102577628A; CN102577628B; WO2011042250A1; DE102009048831A1

Abstract

1 zeigt das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei welchem Licht mit einer Emissionslinie bei einer Spektralposition und Licht mit einer Absorptionslinie bei derselben Spektralposition (charakteristische Selbstabsorption) derart zusammengeführt wird, dass ein Ausgleich der Strahlungsleistung im Bereich der Spektralposition erfolgt. Das Licht mit Emissions- bzw. Absorptionslinie wird dabei erzeugt, indem zwei Entladungslampen gleichzeitig in einem unterschiedlichen thermodynamischen Zustand betrieben werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben von zumindest zwei Hochdruckentladungslampen, mit welchem die Spektralverteilung homogenisiert wird, was bspw. die Farbwiedergabe verbessert. Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine Beleuchtungseinheit, die gemäß dem Verfahren betrieben wird, sowie auf die Verwendung von Hochdruckentladungslampen in verfahrensgemäßer Weise.
Stand der Technik
Bei Hochdruckentladungslampen erfolgt die Lichterzeugung beim Stromdurchgang durch ein Gas- bzw. Metalldampfplasma in einem abgeschlossenen Entladungsgefäß. In dem Plasma existieren Ionen, Elektronen sowie Neutralteilchen im Grundzustand und im angeregten Zustand nebeneinander, wobei die Elektronen im elektrischen Feld Energie aufnehmen und durch Stoß auf die Atome oder Moleküle der Entladung übertragen. Dabei kommt es zur Anregung von Atomen bzw. Molekülen, und die bei der Rückkehr in den Grundzustand freiwerdende Energie wird als für das betreffende Atom bzw. Molekül charakteristische Strahlung abgegeben. Diese typischerweise druckverbreiterten Emissionslinien sind insbesondere bei Anwendungen nachteilig, die eine exakte Farbwiedergabe oder ein lückenloses Spektrum, wie es bspw. ein Planckscher Strahler zeigt, erfordern.
Die Druckschrift DE 101 45 648 B4 offenbart eine Bestrahlungsvorrichtung mit zumindest zwei Strahlungsquellen, beispielsweise Gasentladungslampen, zum Bestrahlen von Objekten mit elektromagnetischer Strahlung. Das Spektrum zumindest einer Strahlungsquelle weicht zumindest teilweise von den Spektren der restlichen Strahlungsquellen ab. Außerdem ist die Leistung wenigstens einer Strahlungsquelle veränderlich. Dadurch kann das Mischspektrum der Bestrahlungsvorrichtung gezielt geändert werden, beispielsweise um alterungsbedingte Änderungen des Spektrums auszugleichen. Vorzugsweise deckt das Spektrum der Strahlungsvorrichtung den Wellenlängenbereich von 100 nm bis 450 nm ab.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben von Hochdruckentladungslampen anzugeben, welches die Spektralverteilung verbessert.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem mindestens zwei Hochdruckentladungslampen zu gleichen Zeiten in einem unterschiedlichen thermodynamischen Zustand betrieben werden, sodass eine Hochdruckentladungslampe Licht mit einer Emissionslinie bei einer Spektralposition emittiert und gleichzeitig eine andere Hochdruckentladungslampe Licht mit einer Absorptionslinie bei derselben Spektralposition emittiert. Die Hochdruckentladungslampen sind dabei derart angeordnet bzw. ihr Licht derart geführt, dass zumindest ein Teil des von jeder Hochdruckentladungslampe emittierten Lichts in einem Ortsbereich zusammengeführt wird.
Licht bezeichnet hierbei nicht nur den für den Menschen sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Wellenspektrums, sondern ist im Sinne der physikalischen Begriffsverwendung auf das gesamte elektromagnetische Wellenspektrum bezogen, umfasst also insbesondere neben dem sichtbaren Bereich auch den UV- und Infrarotbereich.
In dem Ortsbereich, in welchem das Licht der Hochdruckentladungslampen zusammengeführt wird, ergibt sich die Bestrahlungsstärke als Summe jener Werte, die beim Betrieb nur jeweils einer Hochdruckentladungslampe vorliegen würden; dies ist im Folgenden mit Summation (der Bestrahlungsstärke bzw. Strahlungsleistung) bezeichnet. Die Bestrahlungsstärke gibt dabei die einfallende Strahlungsleistung pro Fläche, also die Strahlungsintensität, wieder und wird im Folgenden verwendet, sofern die Strahlungsleistung auf eine konkrete Fläche (bspw. die Fläche eines Messsensors) bezogen ist. Im sichtbaren Bereich des Spektrums wird die Bestrahlungsstärke auch als Beleuchtungsstärke bezeichnet.
Ferner wird nachstehend der Begriff Hochdruckentladungslampe mit Lampe abgekürzt (Hochdruckentladungslampe bezeichnet eine Lampe, deren Druck während des Betriebs zwischen in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt 10, 15 und 25 bar und in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt 400, 350 und 300 bar liegt).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren weist das Spektrum jeder einzelnen Lampe bei der Spektralposition der Linie eine Strahlungsleistung auf, die gegenüber dem kontinuierlichen Anteil des Spektrums deutlich erhöht (Emissionslinie) bzw. verringert (Absorptionslinie) ist. Durch die Summation kommt es somit zu einem mindestens teilweisen Ausgleich der Strahlungsleistung, sodass die Abweichung bei der Spektralposition der Linie vom kontinuierlichen Anteil des Spektrums geringer wird. Dies gilt zumindest bezogen auf einen spektralen Bereich um die Linie, nicht notwendigerweise in Bezug auf das gesamte Spektrum, da auch der kontinuierliche Anteil des Spektrums eine veränderliche Strahlungsleistung zeigen kann. Entscheidend ist jedoch, dass die singuläre Schwankung der Strahlungsleistung im Bereich der Linie verringert, der Kurvenverlauf geglättet und damit die Homogenität des Spektrums verbessert wird. Diese verbesserte Homogenität führt im sichtbaren Bereich des Spektrums zu einer besseren Farbwiedergabe, wobei diese auch selektiv im roten, gelben, grünen oder blauen Farbbereich optimiert werden kann. Die selektive Farbwiedergabe im roten Bereich wird bspw. durch die Farbwiedergabeindizes R9 und R13 beschrieben.
Bei der Anwendung des Verfahrens wird dabei ausgenutzt, dass die Spektralposition einer Linie durch die Lampenfüllung festgelegt ist, die Ausprägung als Absorptions- bzw. Emissionslinie jedoch durch die Auslegung und Betriebsbedingungen der Lampe flexibel eingestellt werden kann. Beim üblichen Betrieb einer Lampe wird dabei Licht mit Emissionslinien emittiert, wohingegen die Emission von Licht mit Absorptionslinien (Linieninversion) immer in einem thermodynamischen Zustand mit vergleichsweise erhöhter Plasmatemperatur bzw. erhöhtem Betriebsdruck erfolgt. Die Linieninversion folgt dabei aus einer resonanten Reabsorption der emittierten Strahlung, welche auch als charakteristische Selbstabsorption bezeichnet wird und einem quasikontinuierlichen Spektrum überlagert ist. Auch die Emissionslinien können einem quasikontinuierlichem Spektrum überlagert sein, jedoch ist dies nicht notwendigerweise so.
Erfindungsgemäß sind mindestens zwei Lampen vorgesehen, die zu gleichen Zeiten in einem unterschiedlichen thermodynamischen Zustand betrieben werden. Der thermodynamische Zustand betrifft dabei allgemein die Temperatur-, Druck- und Dichteverteilung im Entladungsgefäß und kann durch die Füllung des Entladungsgefäßes, den Betriebsstrom, Kühlungsbedingungen und Kolben- oder Elektrodenvariationen beeinflusst werden. Im zeitlichen Verlauf kann dann einerseits eine Lampe fortwährend bei erhöhter Plasmatemperatur bzw. erhöhtem Betriebsdruck betrieben werden, sodass diese das Licht mit der Absorptionslinie emittiert; das Licht mit der Emissionslinie wird von der anderen Lampe emittiert. Andererseits ist es jedoch auch möglich, dass eine Lampe alternierend Licht mit der Emissionslinie und Licht mit der Absorptionslinie emittiert, wobei dies dann zeitlich versetzt zu der anderen Lampe erfolgt, welche ebenfalls gepulst betrieben wird. Eine detaillierte Beschreibung dieser beiden Verfahrensweisen findet sich in der Beschreibung zu den abhängigen Ansprüchen 2 und 3.
Unabhängig davon, ob die Lampen gepulst oder kontinuierlich betrieben werden, wird das in dem Ortsbereich zusammengeführte Licht bei unterschiedlichen Plasmatemperaturen bzw. Betriebsdrücken erzeugt. Es werden also zum Intensitätsausgleich Licht mit einer Emissions- und Licht mit einer Absorptionslinie zusammengeführt. Besonderes bevorzugt erfolgt der Ausgleich der Strahlungsleistung im zeitlichen Verlauf dabei kontinuierlich. Es sind jedoch auch Pauseintervalle möglich, sodass in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt zumindest zu 40%, 60%, 80%, 90% und 95% der Betriebsdauer gleichzeitig Licht mit der Emissions- und Licht mit der Absorptionslinie für den Ausgleich der Strahlungsleistung zur Verfügung steht.
Der spektrale Verlauf der Strahlungsleistung wird also zumindest zu einem Teil des Verlaufs und vorzugsweise im gesamten zeitlichen Verlauf homogenisiert, was für eine Vielzahl von Anwendungen mit hohen Anforderungen an ein homogenes Spektrum bzw. eine gute Farbwiedergabe oder auch selektive Farbwiedergabe vorteilhaft ist, von der Operationsfeldbeleuchtung und Endoskopieanwendungen über Projektionsanwendungen bis zur Ausleuchtung bei Foto- und Filmaufnahmen. Bei letzeren kann es bei einer zeitlich inhomogenen Spektralverteilung und kurzen Verschlusszeiten zu Flimmereffekten kommen, auch wenn die Bildwiederholrate wesentlich kleiner als die Frequenz der Intensitätsschwankungen ist. Auch bei bildgebenden Verfahren in der Mikroskopie, bei denen bspw. mittels einer schnell rotierenden Nipkow-Scheibe zusätzliche Tiefeninformation ausgewertet wird, können durch ein auch im zeitlichen Verlauf homogenisiertes Spektrum Artefakte vermieden werden.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Im Folgenden wird nicht mehr im Einzelnen zwischen der Beschreibung des Verfahrens zum Betreiben von Lampen und dem Vorrichtungsaspekt der Erfindung unterschieden, die Offenbarung ist implizit im Hinblick auf beide Kategorien zu verstehen.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine erste Lampe nur Licht mit der Linie in Emission emittiert. Dabei kann die Emission kontinuierlich oder auch in Intervallen erfolgen, das Spektrum dieser Lampe zeigt im zeitlichen Verlauf jedoch keine Inversion von Emissions- zu Absorptionslinien. Die Emission von Licht mit der Linie in Absorption erfolgt dann durch eine weitere Lampe, wobei auch dies kontinuierlich oder in Intervallen möglich ist.
Inwiefern Licht mit einer Emissions- oder Absorptionslinie emittiert wird, kann dabei bspw. durch die Vorgabe von unterschiedlichen Stromwerten für die Lampen eingestellt werden, sodass bei geringen Strömen ein Spektrum mit Emissionslinien und bei hohen Strömen ein Spektrum mit Absorptionslinien vorliegt. Die Linieninversion kann jedoch auch durch eine Erhöhung des Drucks in der Lampe erreicht werden, Zahlenwerte zu den unterschiedlichen Betriebsweisen finden sich in den abhängigen Ansprüchen 5 und 6.
Die bei erhöhter Plasmatemperatur bzw. erhöhtem Druck betriebene Lampe kann speziell an diesen Betrieb angepasst werden, indem bspw. die Elektroden durch Dimensionierung und Materialwahl für den Betrieb bei hohem Strom optimiert werden und das Entladungsgefäß entsprechend angepasst wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Lampe wechselweise Licht mit der Linie in Emission und Licht mit derselben Linie in Absorption emittiert. Für die zweite Lampe ist dabei vorzugsweise vorgesehen, dass diese zeitlich versetzt, besonders bevorzugt intermittierend gegenphasig, zur ersten Lampe ebenfalls wechselweise Licht mit derselben Linie in Emission und Absorption emittiert. Das Licht der Lampen wird zum Intensitätsausgleich wiederum zusammengeführt, wobei jede einzelne Lampe im zeitlichen Verlauf nun abwechselnd das Licht mit Emissions- und Absorptionslinie zur Verfügung stellt. Die Schaltzeiten müssen dabei größer als die Relaxationszeiten des Plasmas sein, sind also größer einer Mikrosekunde zu wählen.
Diese Verfahrensvariante ist auch beim Einsatz von mehreren Lampen möglich, insbesondere von drei oder vier Lampen. Damit kann im zeitlichen Mittel wiederum der Anteil, zu welchem jede einzelne Lampe bei erhöhter Plasmatemperatur bzw. erhöhtem Druck betrieben wird, herabgesetzt werden. Indem dabei die Elektroden jeder einzelnen Lampe für eine kürzere Zeitdauer bei erhöhter Temperatur betrieben wer den, kann der Elektrodenrückbrand verringert und damit die Lebensdauer verlängert werden.
Bevorzugt kann die dynamische Inversion der Linie erreicht werden indem der Betrag des Lampenstroms zwischen einem niedrigen und einem hohen Wert variiert wird. Im AC-Betrieb kann dabei bspw. ein sinus- oder auch rechteckförmiger Verlauf vorgegeben sein, welcher mit Strompulssequenzen überlagert ist, sodass der Betrag wiederum zwischen einem niedrigen und einem hohen Wert variiert wird. Besonders bevorzugt kann dabei die Frequenz konstant gewählt werden.
In weiterer Ausgestaltung ist dabei ferner vorgesehen, dass die zweite Lampe im zeitlichen Mittel zu gleichem Anteil Licht mit der Linie in Absorption emittiert wie die erste Lampe. Die Lampen werden also im Mittel für die gleiche Zeitdauer bei erhöhter Plasmatemperatur bzw. erhöhtem Betriebsdruck betrieben. Die Ansteuerung erfolgt dabei vorzugsweise durch Variation zwischen einem niedrigen und einem hohen Stromwert, wobei die Anteile des hohen Stromwerts im zeitlichen Mittel für die erste und die zweite Lampe gleich sind. Auch hierbei ist eine Anwendung mit mehreren Lampen möglich, wobei der hohe Stromwert im zeitlichen Mittel dann für alle Lampen zu gleichem Anteil vorliegt. Diese Verfahrensvariante ist also insbesondere für den Betrieb identischer Lampen geeignet.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird die erste Lampe mit einem Strom zwischen 0,1 A/mm, vorzugsweise 0,5 A/mm, und 2 A/mm, vorzugsweise 1 A/mm, betrieben und emittiert dabei das Licht mit der Emissionslinie. Die Stromstärke ist hierbei jeweils auf den Elektrodenabstand bezogen.
Die zweite Entladungslampe wird bei dieser Ausführungsform mit einem Strom zwischen 3 A/mm, vorzugsweise 8 A/mm, und 40 A/mm, vorzugsweise 20 A/mm, betrieben und emittiert dabei das Licht mit der Absorptionslinie.
In weiterer Ausgestaltung wird die erste Lampe bei einem Betriebsdruck zwischen 10 bar, vorzugsweise 25 bar, und 150 bar, vorzugsweise 50 bar, betrieben und emittiert dabei das Licht mit der Emissionslinie. Die zweite Lampe wird hierbei bei einem Betriebsdruck zwischen 175 bar, vorzugsweise 200 bar, und 400 bar, vorzugsweise 300 bar, betrieben und emittiert das Licht mit der Absorptionslinie. Die Zahlenwerte beziehen sich dabei auf den Druck im Entladungsgefäß während des Betriebs der Lampen.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Licht einer Lampe oder das in dem Ortsbereich zusammengeführte Licht mit einer optischen Sensoreinheit gemessen wird. Dabei kann ein Ausschnitt des Spektrums gemessen oder ein diskreter Wert bei einer bestimmten Wellenlänge erfasst werden. Vorzugsweise werden der Messbereich bzw. die Messpunkte dabei bei der Spektralposition der Linie bzw. in deren Umgebung gewählt.
In weiterer Ausgestaltung ist dann vorgesehen, dass der von der Sensoreinheit ausgegebene Messwert als Eingangssignal an einen Regelkreis gegeben wird, der eine Lampe ansteuert. Um die Homogenität des Spektrums zu optimieren, kann somit bspw. ein in dem Ortsbereich, in welchem das Licht zusammengeführt wird, ermittelter Messwert zur Regelung herangezogen werden. In Bezug auf diese Regelgröße kann dann bspw. das Verhältnis von niedrigem zu hohem Stromwert einer Lampe angepasst werden, um die Homogenität des Spektrums zu optimieren. Die Regelung erfolgt dabei nicht notwendigerweise nur für eine Lampe, sondern kann auch für mehrere Lampen vorgenommen werden. Neben der Regelung über die Anpassung der Stromstärke ist es auch möglich, die Kühlbedingungen einer Lampe und damit deren Betriebsdruck einzustellen.
Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Licht einer Lampe oder das in dem Ortsbereich zusammengeführte Licht mit einem optischen Filter verändert wird. Wird das Licht einer Lampe verändert, so können dabei bspw. Bereiche des Spektrums mit solchen Linien abgeschwächt werden, die keine oder nur eine geringe Inversion aufweisen. Die Intensität einer Lampe wird also angepasst, um nach dem Zusammenführen des Lichts einen möglichst glatten Verlauf des gesamten Spektrums zu erhalten.
In der Vorrichtungskategorie bezieht sich die Erfindung auf eine Beleuchtungseinheit mit Lampen, welche gemäß einem der beschriebenen Verfahren betrieben werden. Die Lampen sind dabei in einem Gehäuse aus bspw. Metall oder Kunststoff montiert und derart angeordnet, dass zumindest ein Teil des emittierten Lichts mit entweder einem gemeinsamen Reflektor oder auch einem Reflektor je Lampe zusammengeführt werden kann. In dem gleichen Gehäuse können ferner weitere optische Komponenten wie bspw. Linsen, Filter, Spiegel, Blenden und ein Integratorstab vorgesehen sein, und weiter ist auch die Integration elektrischer und elektronischer Komponenten möglich, die der Ansteuerung und Regelung der Lampen dienen.
In weiterer Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass die Beleuchtungseinheit Bestandteil eines Projektors ist. Der Projektor kann zur Darstellung von Filmen und Dias sowie zum Anschluss an analoge oder digitale Signalquellen wie Videorecorder oder Computer und der Darstellung von Computerseiten und Präsentationen ausgelegt sein. Auf Grund der guten Farbwiedergabe kann die Beleuchtungseinheit in einem Scheinwerfer zur Ausleuchtung bei Film- und Fotoaufnahmen verwendet werden und ist ferner für einen Einsatz im Bereich der Operationsfeldbeleuchtung geeignet, wobei die Beleuchtungseinheit insbesondere als Lichtquelle eines Endoskops oder Boroskops dienen kann. Besonders vorteilhaft ist dabei die Kombination mit digitaler Bildübertragung, welche bspw. mittels CCD-Chip erfolgen kann und als Videoendoskopie bezeichnet wird. Beim Einsatz einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinheit als Lichtquelle eines Absorptionsspektrometers führt das homogene Spektrum zu einem verbesserten Signal-Rausch-Verhältnis. Dieses Anwendungsbeispiel gilt auch außerhalb des sichtbaren Spektrums.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Beleuchtungseinheit zwei identische Lampen. Die Lampen sind also baugleich und weisen die gleiche Gasfüllung bei im Rahmen technischer Schwankung identischem Druck auf. Der erfindungsgemäße Betrieb erfolgt somit allein durch die Ansteuerung der Lampen, wobei auch mehrere identische Lampen in der Beleuchtungseinheit integriert sein können. Diese Ausführungsform vereinfacht insbesondere die Herstellung der Beleuchtungseinheit, da weniger Bauteile und Ersatzteile unterschiedlichen Typs vorgehalten werden müssen, was die Logistik vereinfacht.
In weiterer Ausgestaltung ist die Lampe eine Quecksilberdampf-Hochdruckentladungslampe oder eine Natriumdampf-Hochdruckentladungslampe.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei die einzelnen Merkmale auch in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein können und sich implizit auf alle Kategorien der Erfindung beziehen.
1 veranschaulicht das Prinzip des Verfahrens.
2 illustriert eine Ausführung mit zwei unterschiedlichen Lampen.
3 illustriert die Kombination von zwei identischen Lampen bei variabler zeitlicher Ansteuerung.
4 zeigt für den in 3 dargestellten Aufbau gemessene Spektren.
5 illustriert die Kombination von vier identischen Lampen bei variabler zeitlicher Ansteuerung.
6 zeigt die Integration optischer Sensoren in einen Aufbau mit zwei Lampen.
7 veranschaulicht die Integration optischer Filter in einen Aufbau mit zwei Lampen.
8 zeigt Beleuchtungseinheiten unterschiedlicher Anwendungsgebiete.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
1 zeigt schematisch ein Spektrum mit Emissionslinien 1 einer ersten Lampe, die in einem ersten Betriebszustand mit einem Betriebsdruck P₁ und einem elektrischen Strom I₁ betrieben wird, sowie ein Spektrum mit Absorptionslinien 2 einer zweiten Lampe, die in einem zweiten Betriebszustand mit einem Betriebsdruck P₂ > P₁ bzw. einem elektrischen Strom I₂ > I₁ betrieben wird. Die Emissionslinien 1 und Absorptionslinien 2 liegen dabei an denselben Spektralpositionen, also bei gleichen Werten der Wellenlänge. Es ist zu erkennen, dass in jedem einzelnen Spektrum das Vorhandensein der Linien zu einer starken Schwankung der Strahlungsleistung führt. Wird nun das Licht der beiden Lampen in einem Ortsbereich zusammengeführt, kommt es durch die Summation der Strahlungsleistung zu einem Ausgleich im Bereich der Linien, der Verlauf des Spektrums wird geglättet.
In 2 ist schematisch dargestellt, wie dieses Konzept mit zwei Quecksilber-Hochdruckentladungslampen 3, 4 realisiert werden kann, welche sich in Bauart und Betriebsweise unterscheiden, sodass die erste Lampe 3 Licht mit Emissionslinien 1 emittiert und die zweite Lampe 4 Licht mit Absorptionslinien emittiert, wobei beide Lampen mit konstanter Leistung betrieben werden. Da abgesehen vom Druck die gleiche Füllung vorliegt, liegen die Linien bei denselben Spektralpositionen, sodass eine Summation der Strahlungsleistung wiederum einen gegenüber jedem einzelnen Spektrum geglätteten Verlauf zur Folge hat.
3 zeigt schematisch, wie bei einer Beleuchtungseinheit mit zwei identischen Quecksilber-Hochdruckentladungslampen 5 jede einzelne Lampe mit Rechteckpulsen angesteuert wird, wobei der Lampenstrom zwischen 1 A/mm und 14 A/mm variiert ist. Die Pulse sind dabei zeitlich versetzt, sodass eine Lampe Licht mit Emissionslinien 1 emittiert, während die andere Lampe Licht mit Absorptionslinien 2 emittiert und umgekehrt. Durch Zusammenführen des Lichts wird die Strahlungsleistung wiederum derart aufsummiert, dass der Verlauf des resultierenden Spektrums geglättet ist.
4 zeigt für einen Aufbau gemäß 3 gemessene Spektren zweier Quecksilber-Hochdruckentladungslampen 5. Die mit geringem Strom betriebene Lampe emittiert Licht mit Emissionslinien 1, wohingegen die mit hohem Strom betriebene Lampe gleichzeitig Licht mit Absorptionslinien 2 emittiert. Die gemessene Strahlungsleistung ist dabei auf die Fläche des Sensors bezogen, sodass in den Spektren die Bestrahlungsstärke aufgetragen ist. Wird nun ein Spektrum in dem Ortsbereich gemessen, in welchem das Licht der beiden Lampen – hier zu gleichen Teilen – zusammengeführt wird, so resultiert ein durch den Ausgleich im Bereich der Linien geglätteter Kurvenverlauf (dargestellt ist nicht die absolute, sondern die normierte Bestrahlungsstärke).
5 zeigt eine Beleuchtungseinheit, welche konzeptionell der in 3 dargestellten Beleuchtungseinheit entspricht, jedoch um zwei zusätzliche Lampen 5 erweitert ist. Die einzelnen Lampen werden dabei wiederum mit gepulster Leistung angesteuert, wobei diese Pulse zeitlich zueinander versetzt sind. Der Betriebszustand mit dem hohen Stromwert, in welchem Licht mit den Linien in Inversion emittiert wird, permutiert somit von Lampe zu Lampe.
Es steht jedoch kontinuierlich Licht mit Absorptionslinien 2 zur Verfügung, sodass ein Ausgleich der Emissionslinien 1 erfolgt.
6 zeigt einen Aufbau mit einer ersten Lampe 3 und einer zweiten Lampe 4, wobei das Licht der Lampen mit Reflektoren 6 und einer Optik 7 einem Integratorstab 8 zugeführt wird. Hierbei handelt es sich um einen Stab aus bspw. Glas oder Quarz, an dessen Wänden es zur Totalreflexion kommt, sodass ein Lichtstrahl, der in den Stab eintritt, abhängig von Eintrittsposition und Winkel mehr oder weniger häufig reflektiert wird. Dies führt einerseits zu einer gleichmäßigen Verteilung des Lichts an der Austrittsfläche und andererseits erfolgt eine Mischung des von jeder einzelnen Lampe emittierten Lichts.
In 6a ist dabei eine Ausführungsform gezeigt, bei welcher in beiden Reflektoren 6 der Entladungslampen 3, 4 jeweils ein optischer Sensor 9 vorgesehen ist, es wird also das Licht jeder einzelnen Lampe mit einem eigenen Sensor erfasst. Die beiden Messwerte werden dann an eine Einheit 10 zur Signalverarbeitung weitergegeben, wobei ein Abgleich der Messwerte erfolgt und diesem entsprechend die elektrischen Vorschaltgeräte 11 der beiden Entladungslampen geregelt werden, sodass bspw. Schwankungen in der Strahlungsleistung einer Lampe durch eine entsprechende Regelung der anderen Lampe ausgeglichen werden.
Der Aufbau in 6b entspricht jenem aus 6a, an Stelle von zwei Sensoren in den beiden Reflektoren 6 ist in diesem Fall jedoch nur ein Sensor 9 vorgesehen, welcher in dem Integratorstab 8 angeordnet ist, das Licht also nach dem Zusammenführen erfasst. Die Messung erfolgt somit nach dem Ausgleich der Strahlungsleistung, sodass in diesem Fall die Homogenität des resultierenden Spektrums die für die Signalverarbeitung maßgebende Größe ist und die elektrischen Vorschaltgeräte dieser entsprechend geregelt werden.
7 zeigt einen Aufbau mit einer ersten Lampe 3 und einer zweiten Lampe 4, deren Licht wiederum mit zwei Reflektoren 6 und einer Optik 7 in einem Integratorstab 8 zusammengeführt wird.
Bei dem in 7a dargestellten Beispiel wird dabei das Licht jeder einzelnen Lampe vor dem Zusammenführen mit einem Filter 12 derart verändert, dass bspw. Bereiche des Spektrums abgeschwächt werden, in welchen nur eine geringe Linieninversion beobachtet wird. In diesen spektralen Bereichen würde keine Homogenisierung des Spektrums durch die Summation der Strahlungsleistung erfolgen, da allein oder zumindest vorwiegend Licht mit den Linien in Emission vorliegt. Mit dem Filter können jedoch auch ganz allgemein alle Bereiche des Spektrums angepasst werden, in welchen andernfalls eine Unter- oder Überkompensation der Strahlungsleistung erfolgen würde, sodass eine ausreichende Homogenität des Spektrums einerseits und eine an die jeweilige Anwendung angepasste Strahlungsleistung andererseits resultieren.
In 7b ist ein Aufbau dargestellt, welcher jenem aus 7a entspricht, jedoch ist anstelle der zwei Filter vor dem Zusammenführen des Lichts nur ein Filter nach dem Zusammenführen des Lichts vorgesehen. Der am Ausgang des Integratorstabs 8 angeordnete Filter 11 schwächt dabei wiederum solche Bereiche des Spektrums ab, die auch nach dem Zusammenführen des Lichts und der Summation der Strahlungsleistung stark vom kontinuierlichen Anteil des Spektrums abweichen.
In 8A ist die Beleuchtungseinheit eines Endoskops oder Boroskops gezeigt, bei welcher das Licht einer ersten Lampe 3 und einer zweiten Lampe 4 nach dem Zusammenführen mit Reflektoren 6 und Optik 7 einer weiteren Optik 13 zugeführt und mittels dieser in einen Lichtleiter 14 eingekoppelt wird. Das Licht mit homogenisiertem spektralem Verlauf wird dann über den Lichtleiter in den Untersuchungs- oder Inspektionsraum eingeleitet.
8b zeigt die Beleuchtungseinheit eines Projektors, bei welcher das Licht einer ersten Lampe 3 und einer zweiten Lampe 4 mit Reflektoren 6 und einer Optik 7 in einem Integratorstab 8 zusammengeführt wird, sodass für die Projektion auf die Projektionsfläche 15 Licht mit homogenisiertem spektralem Verlauf zur Verfügung steht.

Claims

Verfahren zum Betreiben von Hochdruckentladungslampen, welche zu gleichen Zeiten in einem unterschiedlichen thermodynamischen Zustand betrieben werden, sodass eine Hochdruckentladungslampe Licht mit einer Emissionslinie (1) bei einer Spektralposition emittiert, und gleichzeitig eine andere Hochdruckentladungslampe Licht mit einer Absorptionslinie (2) bei derselben Spektralposition emittiert, wobei zumindest ein Teil des von jeder Hochdruckentladungslampe emittierten Lichts in einem Ortsbereich zusammengeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Hochdruckentladungslampe nur Licht mit der Linie in Emission (1) emittiert.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die erste Hochdruckentladungslampe alternierend Licht mit der Linie in Emission (1) und Licht mit der gleichen Linie in Absorption (2) emittiert.
Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die zweite Hochdruckentladungslampe im zeitlichen Mittel zu gleichem Anteil Licht mit der Linie in Absorption (2) emittiert wie die erste Hochdruckentladungslampe.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste Hochdruckentladungslampe bei einem Betriebsstrom zwischen 0,1 A/mm und 2 A/mm, vorzugsweise zwischen 0,5 A/mm und 1 A/mm Licht mit der Emissionslinie (1) emittiert, und die zweite Entladungslampe bei einem Betriebsstrom von zwischen 3 A/mm und 40 A/mm, vorzugsweise zwischen 8 A/mm und 20 A/mm Licht mit der Absorptionslinie (1) emittiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die erste Hochdruckentladungslampe bei einem Betriebsdruck zwischen 10 bar und 150 bar, vorzugsweise zwischen 25 bar und 50 bar Licht mit der Emissionslinie (1) emittiert, und die zweite Entladungslampe bei einem Betriebsdruck zwischen 175 bar und 400 bar, vorzugsweise zwischen 200 bar und 300 bar Licht mit der Absorptionslinie (1) emittiert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Licht zumindest einer Hochdruckentladungslampe mit einer optischen Sensoreinheit erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 7, bei dem ein von der Sensoreinheit ausgegebener Messwert als Eingangssignal an einen Regelkreis gegeben wird, welcher eine Hochdruckentladungslampe ansteuert.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Licht zumindest einer Hochdruckentladungslampe mit einem optischen Filter verändert wird.
Beleuchtungseinheit mit Hochdruckentladungslampen, welche zu gleichen Zeiten in einem unterschiedlichen thermodynamischen Zustand sind, sodass eine Hochdruckentladungslampe Licht mit einer Emissionslinie (1) bei einer Spektralposition emittiert, und gleichzeitig eine andere Hochdruckentladungslampe Licht mit einer Absorptionslinie (2) bei derselben Spektralposition emittiert, wobei die Vorrichtung dazu ausgelegt ist, zumindest einen Teil des von den Hochdruckentladungslampen emittierten Lichts in einem Ortsbereich zusammenzuführen.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 10 zum Einsatz in einem Projektor, einem Film- oder Fotoscheinwerfer, einer OP-Feldleuchte, einem Endoskop, einem Boroskop oder einem Absorptionsspektrometer.
Beleuchtungseinheit nach Anspruch 10 oder 11 mit identischen Hochdruckentladungslampen.
Beleuchtungseinheit nach einem der Ansprüche 10 bis 12 mit einer Quecksilberdampf-Hochdruckentladungslampe oder Natriumdampf-Hochdruckentladungslampe.
Verwendung von Hochdruckentladungslampen zum Betrieb gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9.