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Die
Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Strahlungsquelle
und einem an diese angeschlossenen Flüssigkeitslichtleiter.
Der Flüssigkeitslichtleiter weist einen biegsamen Positionshalteschlauch
auf, der von Hand auf ein zu beleuchtendes Objekt ausgerichtet werden
kann und danach seine räumliche Position beibehält.
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Derartige
Beleuchtungsvorrichtungen sind im Stand der Technik im Zusammenhang
mit Glasfaserbündel-Lichtleitern bekannt und werden vielfach im
Laborbereich verwendet. Sie werden auch als Lichtquellen mit ”Schwanenhals”-Lichtleitern
bezeichnet und bestehen typischerweise aus einer Strahlungsquelle
mit einer Wolfram/Halogen-Reflektor-Lampe und einem (oder mehreren)
Glasfaserbündel-Lichtleiter, der sich in einem biegsamen
Armierungsschlauch mit Positionshaltefunktion befindet. Die bekannten
Schwanenhals-Lichtleiter haben eine Gesamtlänge von unter
einem Meter, was für die meisten Anwendungen genügt.
Die äußeren, auch als Halteschläuche
bekannten Armierungsschläuche sind im Handel erhältlich
und werden aus einem metallischen Profilband mit Dichtfaden oder
Dichtdraht gewickelt, wobei eine spezielle Technik für
die Haltefunktion nach Biegung sorgt.
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Da
Glasfaserbündel-Lichtleiter hochflexibel sind, und Anfang
und Ende eines Glasfaserbündels leicht gegeneinander verdrillt
werden können, braucht man bei der Herstellung eines Schwanenhals-Lichtleiters
das Faserbündel lediglich in den Halteschlauch einzuführen
und die jeweiligen Endstücke des Glasfaserbündels
am Anfang und Ende des Halteschlauchs fest mit diesem zu verkleben. Wird
ein solcher Schwanenhals-Lichtleiter dann an einem Ende an der Strahlungsquelle
fixiert, so ist das andere Ende frei manipulierbar. Das Glasfaserbündel im
Inneren des Halteschlauchs kann aufgrund seiner hohen inneren Beweglichkeit
die durch die Manipulation entstehende Änderungen der Relativposition zwischen
Lichtleiter und Strahlungsquelle absorbieren, ohne dass es zu Spannungen
im Faserbündel mit der Gefahr eines Glasfaserbruchs kommt.
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Flüssigkeitslichtleiter,
wie sie z. B. in
DE
42 33 087 A1 beschrieben sind, sind bereits seit über
30 Jahren auf dem Markt und haben gegenüber Glasfaserbündel-Lichtleitern
den Vorteil einer besseren optischen Transmission im kurzwelligen
Bereich des sichtbaren Spektrums und im UV-Bereich. Das ist besonders
für gewisse Laboranwendungen nützlich, wie z.
B. bei Fluoreszenzanregung mit kurzwelliger Strahlung.
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Eine
Schwanenhals-Lichtleiter-Anordnung wäre auch für
diesen Anwendungsbereich wünschenswert. Flüssigkeitslichtleiter
enthalten einen mit Flüssigkeit gefüllten Fluor-Kohlenstoff-Schlauch (F-C-Schlauch),
der auch als ”Lichtleiter-Seele” bezeichnet wird
und an beiden Enden durch Glasstöpsel und mechanische Dichthülsen
abgedichtet ist. Flüssigkeitslichtleiter sind im Gegensatz
zu den hochflexiblen Glasfaserbündeln nur semiflexibel
und die beiden Enden eines Flüssigkeitslichtleiters sind nicht
gegeneinander verdrillbar. Diese mechanischen Nachteile eines Flüssigkeitslichtleiters
machen sich mit größerem Durchmesser des lichtaktiven
Kerns, d. h. für Durchmesser ≥ 3 mm, immer stärker
bemerkbar.
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Baut
man einen Schwanenhals-Flüssigkeitslichtleiter nach demselben
Muster wie für die oben beschriebenen Glasfaserbündel
und fixiert das Lichteintrittsende an einer Lichtquelle mit einer
leistungsstarken UV-Lampe, so kommt es bei der Manipulation des
Lichtleiters zu Verformungen des F-C-Schlauches im Inneren des Halteschlauchs
mit daraus resultierendem Transmissionsverlust und lokaler Erwärmung
des Flüssigkeitslichtleiters. Nach einer gewissen Zeit
der Beaufschlagung des Flüssigkeitslichtleiters mit intensivem
Licht im Bereich von mehreren Watt Strahlungsleistung kommt es zu
bleibenden Schäden und Verformungen des Fluor-Kohlenstoff-Lichtleitermantelschlauchs
und die Transmission des Flüssigkeitslichtleiters nimmt
rapide ab.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu überwinden
und einen Schwanenhals-Flüssigkeitslichtleiter zu schaffen,
der an leistungsstarke Lichtquellen, wie Wolfram/Halogen-Glühlampen,
Quecksilber- oder Xenon-Plasmalampen, oder Arrays aus lichtemittierenden
Halbleiterdioden (LEDs) angekoppelt werden kann, und der bei beliebiger
Manipulation auch auf Dauer keine nennenswerten Transmissionseinbußen
zeigt.
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Die
Aufgabe wird durch die im beigefügten Anspruch 1 definierte
Beleuchtungsvorrichtung gelöst. Die Unteransprüche
betreffen bevorzugte Ausführungsbeispiele.
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Gemäß einem
Ausführungsbeispiel führt man die aus dem flüssigkeitsgefüllten
Fluor-Kohlenstoff-Schlauch bestehende Flüssigkeitslichtleiterseele
mit beidseitigen Dichtelementen in einen Halteschlauch ein und lagert
sie mindestens an einem Ende so im Halteschlauch, dass die Lichtleiterseele einschließlich
der Dichtelemente im Inneren des äußeren Halteschlauchs
drehbar bleibt, aber in der Translation längs der Achse
des Halteschlauchs fixiert ist. In der gleichen Weise kann auch
das andere Ende des Lichtleiters gelagert werden. Wenn nur ein Ende
der Flüssigkeitslichtleiterseele drehbar gehalten wird,
so ist es vorzugsweise das Ende, welches für die Lichteinkopplung
vorgesehen ist. Gemäß einem besonders bevorzugten
Ausführungsbeispiel, wird nur das Lichteintrittsende des
Flüssigkeitslichtleiters in der beschriebenen Weise drehbar
gelagert, während das Lichtaustrittsende der Seele keinerlei Beschränkungen
hinsichtlich Drehbarkeit und Translation unterworfen und lediglich
koaxial im Halteschlauch geführt wird.
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Besonders
bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung
werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigt:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Beleuchtungsvorrichtung gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Schnittansicht des Lichteintritts- und des Lichtaustrittsendes des
Flüssigkeitslichtleiters;
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3a eine
teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht der Befestigung
des Flüssigkeitslichtleiters am Gehäuse der Lichtquelle
in einer ersten Position; und
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3b eine
teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht der Befestigung
des Flüssigkeitslichtleiters am Gehäuse der Lichtquelle
in einer zweiten Position.
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1 zeigt
eine Übersichtsdarstellung, bestehend aus einer Strahlungsquelle 11 mit
angekoppeltem Schwanenhals-Lichtleiter 10. Der Lichtleiter 10 umfasst
einen Positionshalteschlauch 22, in dessen Innerem der
flüssigkeitsgefüllte Lichtleiter eingebaut ist.
Die Strahlungsquelle 11 enthält eine Lampe mit
Fokussiereinheit (nicht gezeigt), bestehend aus Reflektor und/oder
Kondensor. Die Lampe kann z. B. eine Wolfram/Halogen-Glühlampe,
eine Quecksilberdampf- oder Xenon-Gasentladungslampe, oder ein LED-Array
sein. Die Glühwendel, das leuchtende Plasma oder die LEDs
des Arrays wird bzw. werden in bekannter Weise durch Fokussiermittel
auf die Lichteintrittsfläche des Flüssigkeitslichtleiters 10 abgebildet.
Auf den Schwanenhals-Halteschlauch 22 sind beidseitig Rundflansche 13, 23 fest
aufgebracht, vorzugsweise durch Verkleben. Am Lichtaustrittsende
des Flüssigkeitslichtleiters 10 sieht man eine Dichthülse 14.
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2 zeigt
im Schnitt beide Endbereiche eines erfindungsgemäßen
Schwanenhals-Flüssigkeitslichtleiters 10. Die
bereits erwähnte Dichthülse 14 am Lichtaustrittsende
umgibt einen Glasstopfen 17 und den lichtleitenden flüssigkeitsgefüllten
Fluor-Kohlenstoff-Schlauch 28, und dichtet diesen durch eine
O-Ring-Quetschdichtung 16 gegen Flüssigkeitsaustritt
ab. In symmetrischer Weise ist auch am Lichteintrittsende eine Dichthülse 24 angebracht,
die wiederum mittels einer O-Ring-Quetschdichtung 26 den flüssigkeitsgefüllten
Schlauch 28 und einen Glasstopfen 27 fest miteinander
verbindet. Die Dichthülsen 14, 24 und
der Innenschlauch 28 bilden somit eine feste Einheit.
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Die
Dichthülsen 14, 24 und die Außenflansche 13, 23 des
Halteschlauchs 22 sind jeweils durch einen Sprengring 15, 25 dadurch
miteinander drehbar verbunden, dass der Sprengring 15, 25 jeweils gleichzeitig
eine Außennut der zugehörigen Hülse 14, 24 und
eine koaxial verlaufende Innennut des zugehörigen Flansches 13, 23 ausfüllt.
Ist der Halteschlauch 22 in gestrecktem Zustand, d. h.
gerade und ohne Krümmung ausgerichtet, ist die Schlauch 28,
Glasstopfen 17, 27 und Hülsen 14, 24 umfassende
Seele des Flüssigkeitslichtleiters 10 frei drehbar und
dennoch gegen axiale Translation gesichert.
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Im
am meisten bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Sprengring 15 am
Lichtaustrittsende weggelassen und der Schlauch 28 lediglich
koaxial im Halteschlauch 22 geführt, so dass er
keinerlei Beschränkungen hinsichtlich Drehbarkeit und Translation
unterworfen ist. Die Verbindung zwischen Lichtleiterschlauch 28 und
Halteschlauch 22 ist dann allein durch den Sprengring 25 hergestellt.
Dieses Ausführungsbeispiel ist konstruktiv besonders einfach
und erfüllt trotzdem den Zweck einer gegen axiale Translation
gesicherten, intrinsische Drehung gestattenden Lagerung des Lichtleiterschlauchs 28 im
Halteschlauch 22.
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In
der Praxis wird beim Zusammenbau des Schwanenhals-Flüssigkeitslichtleiters 10 darauf
geachtet, dass der Außendurchmesser des Schlauchs 28 um
mindestens 15–30% kleiner ist als der Innendurchmesser
des Halteschlauchs 22. So hat die empfindliche Flüssigkeitslichtleiterseele
bei der Manipulation des Schwanenhalslichtleiters 10 im
Gebrauch zusätzliche Ausweichmöglichkeiten.
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Eine
zusätzliche Entlastung der Flüssigkeitslichtleiterseele
bei Manipulation, insbesondere des in ihr enthaltenen, nicht in
sich verdrillbaren Fluor-Kohlenstoff-Schlauchs 28, kann
man erreichen, wenn der Halteschlauch 22 nicht fest mit
dem Gehäuse der Strahlungsquelle 11 verbunden
ist, sondern koaxial zur optischen Achse der Strahlungsquelle drehbar gelagert
ist. Diese Drehbarkeit des Halteschlauchs 22 relativ zur
Strahlungsquelle 11 darf aber nicht leichtgängig
sein, weil sonst der Schwanenhals-Flüssigkeitslichtleiter 10 seine
räumliche Position nicht beibehalten kann und wegen seines
Gewichtes und der entsprechenden Hebelkraft absinkt. Die Drehbarkeit
des Halteschlauchs 22 gegenüber der Strahlungsquelle 11 muss
daher mit einem definierten Widerstand, versehen sein, die bspw.
durch eine Rutschkupplung erzielt wird.
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Eine
solche Rutschkupplung ist beispielhaft in den 3a und 3b gezeigt.
Hier wird sie mit einem Magnetring 34 realisiert, der durch
seine Haftkraft auf der Gehäusewand 31 einen Reibungswiderstand
gegenüber Verdrehung bewirkt. Der Magnetring 34 ist
vorzugsweise ein Permanentmagnet, der im Flansch 23 am
lichteintrittsseitigem Ende des Schwanenhalslichtleiters 10 angebracht
ist. Der Magnet ist koaxial zur optischen Achse montiert, und liegt
einem tellerringförmigen Gegenstück 35 aus magnetischem
Material gegenüber, das an der Gehäusewand 31 befestigt
ist. Sobald der Schwanenhalslichtleiter 10 komplett in
die Strahlungsquelle 11 eingerastet ist (3b)
haftet der Magnetring 34 magnetisch an dem Gegenstück 35 an.
Die Oberflächenreibung zwischen dem Flansch 23 und
dem Gegenstück 35 liefert dann den gewünschten
definierten Widerstand gegen Verdrehungen des Halteschlauchs 22 gegenüber
der Gehäusewand 31, der bei nicht voll eingerastetem
Zustand (3a) nicht auftritt.
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Das
tellerförmige Gegenstück 35 kann z. B. aus
magnetischem Edelstahl bestehen und zusätzlich aufgeraut
sein, um die Drehbarkeit des Lichtleiters zu erschweren. Auch andere
Mechanismen für eine Rutschkupplung mit Hilfe von Wellscheiben
oder O-Ringen sind denkbar.
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Im
Dauerversuch zeigt der erfindungsgemäße Schwanenhals-Flüssigkeitslichtleiter 10 eine
befriedigende Stabilität der optischen Transmissionen, auch
nach häufiger Manipulation und nach Belastung mit Lichtstrahlungsleistungen
von mehreren Watt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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