DE102012100375A1

DE102012100375A1 - Lichtleiteranordnung und optisches Bestrahlungsgerät

Info

Publication number: DE102012100375A1
Application number: DE102012100375A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2012-07-19
Also published as: US20120182758A1

Abstract

Die Erfindung verbessert den optischen Transmissionsgrad einer Lichtleiteranordnung (550; 650) in einem optischen Bestrahlungsgerät, indem eine oder mehrere Isolationsschichten (653; 6f53; 6g53) einen starren oder flexiblen Lichtleiterstab (652, 6f520; 6f52; 6g52) der Lichtleiteranordnung (550; 650) ummanteln und/oder die Einkopplung des von einer Strahlungsquelle (61, 6f61) emittierten Lichts in die Lichteintrittsfläche des Lichtleiterstabs (652, 6f520; 6f52; 6g52) durch ein Adapterelement (654; 6f62) verbessert wird. Entscheidend für die verbesserte Transmission in dem Lichtleiterstab (652, 6f520; 6f52; 6g52) ist eine hochviskose Flüssigkeitsschicht (6f53), die direkt mit der Mantelfläche des Lichtleiterstabs (6f52; 6g52) in Kontakt steht und ein Perfluorpolyäther, insbesondere Krytox®, Fombline® oder Galden®, beispielsweise Krytox® 16350 enthält.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen der Lichtaustrittsleistung eines Lichtleiters in einem optischen Bestrahlungsgerät. Das Bestrahlungsgerät kann insbesondere zur Ausleuchtung von Hohlräumen, zur optischen Polymerisation von Kunststoffen, optischen Aushärtung von Klebstoffen oder zur dermatologischen oder kosmetischen Behandlung eines Patienten eingesetzt werden. Bei der letztgenannten dermatologischen oder kosmetischen Anwendung kann die optische Bestrahlung selbst zu Therapiezwecken eingesetzt werden, oder dazu dienen, die Wirksamkeit dermatologischer oder kosmetischer Substanzen zum Auftragen auf die menschliche Haut optisch zu steigern.
Als Lichtleiter werden in der vorliegenden Patentspezifikation solche verstanden, die einen starren oder flexiblen Lichtleiterkern, d. h einen starren oder flexiblen Stab bzw. eine starre oder flexible Faser, aus einem Festkörper wie Glas oder transparentem Kunststoff aufweisen.
Beschreibung der Erfindung
Ein entscheidendes Qualitätsmerkmal von Lichtleitern ist deren optischer Transmissionsgrad, d. h. der Anteil der einfallenden Lichtintensität am Lichtaustrittsende des Lichtleiters. Aufgabe der Erfindung ist eine Verbesserung des Transmissionsgrads, um eine möglichst hohe Strahlungsintensität am Lichtaustrittsende zu erzielen, insbesondere bei Ankoppelung des Lichtleiters an eine hoch-divergent emittierende LED-Strahlungsquelle.
Diese Aufgabe wird durch die Lichtleiteranordnung mit den in Anspruch 1 oder 8 definierten Merkmalen gelöst. Die übrigen Ansprüche betreffen bevorzugte Ausführungsbeispiele.
Insbesondere sollen gemäß einem Anwendungsbeispiel mit Hilfe des intensiven Lichts Wirkstoffe, welche in dermatologisch verwendeten Salben, Gelen oder Pasten enthalten sind, schneller und tiefer in die obersten Hautschichten eingeschleust werden, um somit eine bessere Wirkung zu erzielen. Als Beispiel sei hier die Einschleusung entzündungshemmender oder schmerzstillender Gele, Salben oder Pasten in die Haut mit wirksamer Unterstützung intensiver optischer Strahlung bei gleichzeitigem flächigen Andruck der Lichtaustrittsfläche an das Gewebe genannt.
Eine weitere Anwendung eines Bestrahlungsgerätes mit dem erfindungsgemäßen Lichtleiter besteht auf dem Gebiet der Kosmetik. Hier geht es vor allem darum, die Glättung von Falten in der Haut durch kombinierte Einwirkung intensiver optischer Strahlung und konventioneller kosmetischer Gele, Salben oder Flüssigkeiten und flächigem Andruck auf das Gewebe zu verbessern.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel eines Bestrahlungsgerätes mit dem erfindungsgemäßen Lichtleiter betrifft dermatologische und forensische Untersuchungen. Hierbei soll das Bestrahlungsgerät die Wellenlänge des intensiven emittierten Lichts für spezielle optische Untersuchungen optimieren.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel eines Bestrahlungsgerätes mit dem erfindungsgemäßen Lichtleiter liegt in der Polymerisation von lichthärtenden Kunststoffen oder Klebern.
Weiterhin ist an die Verwendung eines Bestrahlungsgerätes mit dem erfindungsgemäßen Lichtleiter als allgemeines Beleuchtungsgerät zur Ausleuchtung von Flächen und/oder Hohlräumen in der Wissenschaft, Technik, Medizin und Forensik gedacht.
Als Lichtquelle enthält das Bestrahlungsgerät vorzugsweise eine oder mehrere LEDs. Es können aber auch andere optische Strahlungsquellen, wie zum Beispiel Gasentlandungslampen oder Halogen-Glühlampen, eingesetzt werden.
Der Kern der vorliegenden Erfindung betrifft aber unabhängig von den oben beschriebenen Anwendungsbeispielen allgemein Verbesserungen der Lichtaustrittsleistung bei Lichtleiteranordnungen wie sie später unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 beschrieben werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Lichtleiteranordnung bzw. das Bestrahlungsgerät anhand der 1 bis 4 und anhand konkreter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Darin zeigt:
1a eine Querschnittsansicht eines Bestrahlungsgeräts mit einer Lichtleiteranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
1b eine Querschnittsansicht eines Bestrahlungsgeräts mit einer Lichtleiteranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Querschnittsansicht eines Bestrahlungsgerätes mit einer Lichtleiteranordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 eine Querschnittsansicht eines Bestrahlungsgerätes mit einer Lichtleiteranordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
4 eine perspektivische Ansicht eines Bestrahlungsgeräts mit einer Lichtleiteranordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Detaillierte Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele
Die 1a und 1b zeigen die Anwendung einer erfindungsgemäßen Lichtleiteranordnung (650) in einem ersten bzw. einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel über einer Strahlungsquelle (61).
Der Lichtleiter (650) enthält in diesem Beispiel einen Lichtleiterstab (652), der eine polierte Zylinderfläche und ebenfalls polierte Endflächen aufweist. Der Lichtleiterstab (652), der z. B. aus Glas, Quarzglas oder einem transparenten Kunststoff, wie z. B. Plexiglas, bestehen kann, wird optisch durch einen eng anliegenden Fluor-Kohlenstoff-Polymer-Schlauch, wie z. B. einen Teflon^® FEP- oder Teflon^® MFA-Schlauch (653), isoliert, der auf seiner Innenoberfläche eine Beschichtung aus einem amorphen Fluor-Kohlenstoff-Polymer, wie z. B. eine Teflon^® AF (Amorphous Fluoropolymer)-Beschichtung, aufweisen kann.
Zusätzlich befindet sich zwischen der Innenwandung des Isolierschlauches (653) und der Zylinderoberfläche des Lichtleiterstabs (652) erfindungsgemäß noch eine dünne Schicht (nicht gezeigt) einer amorphen hochviskosen perfluorierten Flüssigkeit, beispielsweise eines Perfluorpolyäthers, die infolge ihres extrem niedrigen Brechungsindex im Bereich von n ≈ 1,28–1,32 als optische Immersionsflüssigkeit zu der festen Teflon^® AF-Schicht wirkt, die ebenfalls einen extrem niedrigen Brechungsindex in diesem Wertebereich hat. Damit erreicht der Lichtleiterstab (652) eine sehr hohe optische Apertur (2α ≈ 83° im Falle von Quarzglas, und 2α ≈ 93° im Falle von Plexiglas), wodurch ein besonders hoher Raumwinkelanteil an Strahlung einer hochdivergent emittierenden Lichtquelle, wie z. B. einer LED oder eines LED-Arrays, von dem Lichtleiter aufgefangen und nach außen geleitet werden kann.
Die beschriebene Art der optischen Isolation eines Lichtleiterstabs aus Glas oder Kunststoff erlaubt bei Lichtleiterstab-Durchmessern im Bereich weniger Millimeter sogar noch eine gewisse Flexibilität des Lichtleiterstabs (652) ohne die Gefahr vor Splittern oder scharfen Kanten im Falle von Bruch.
So kann man einen Lichtleiterstab (652), welcher z. B. aus Plexiglas besteht und eine Länge von 1000 mm und einen Durchmesser von bis zu ca. 6 mm hat, der optisch mit einem dünnwandigen (d = 0,5 mm) Teflon^® FEP-Schlauch ummantelt ist, der wiederum auf seiner Innenoberfläche eine Teflon^® AF- oder Hyflon^® AD-haltige Schicht aufweist, welche außerdem noch die hochviskose perfluorierte Flüssigkeit enthält, ohne nennenswerten Verlust an Transmission um bis zu 90° biegen. Sollte so ein längerer Lichtleiterstab brechen, so schützt der ihn umgebende, eng anliegende Mantelschlauch aus perfluoriertem Kunststoff, wie z. B. aus Teflon^® FEP oder Teflon^® MFA, der z. B. eine Wandstärke von 0,2–1,0 mm haben kann, vor Splittern und Verletzung durch scharfe Bruchkanten. Auch für den Fall dass der Lichtleiterstab aus Glas oder Quarzglas besteht, ist für Stabdurchmesser bis zu 2 mm die Biegsamkeit gegeben.
Der optisch und mechanisch isolierende Mantelschlauch aus Teflon^® FEP oder MFA (653) des starren bzw. semiflexiblen oder flexiblen Lichtleiterstabs (652) kann aber muss nicht unbedingt eine feste amorphe perfluorierte Innenschicht aufweisen, die vorzugsweise Teflon^® AF enthält. Es genügt auch, dass sich zwischen der Umfangsfläche des Lichtleiterstabs (652) und der Innenoberfläche des Mantelschlauches (653) lediglich eine dünne Schicht der perfluorierten hochviskosen Flüssigkeit befindet.
Diese Flüssigkeit kann z. B. ein perfluorierter hochviskoser Polyäther sein, welcher einen Siedepunkt von über 200°C hat und einen äußerst niedrigen Brechungsindex im Bereich von ca. 1,28–1,32. Derartige Flüssigkeiten sind unter dem Handelsnamen Krytox^® (Dupont), Fomblin^® (Ausimont) oder Galden^® (Ausimont) im Handel. In diesem Falle wirkt die perfluorierte Flüssigkeit als Immersionsmittel zu dem perfluorierten Mantelschlauch (z. B. Teflon^® FEP oder MFA), der zwar auch einen niedrigen Brechungsindex hat (n = 1,34) aber nicht wie bei Teflon^® AF vollkommen transparent ist. Bei Lichtleiterlängen von 10–1000 cm bewirkt diese Vereinfachung der optischen Isolation noch keine merkliche Verminderung der Transmission des Lichtleiters und ist dabei sehr leicht und kostengünstig herstellbar.
1b zeigt noch eine optische Immersionsfüllung (654), welche die emittierende Glas- oder Kunststoffkuppel (Dom 61) des LED-Arrays mit der Lichteintrittsfläche des Lichtleiters (652) optisch verbindet. Das Volumen zwischen der Lichteintrittsfläche des Lichtleiters (652) und der LED, bzw. dem LED-Dom (61), ist mit dem Material der Immersionsfüllung (654) vollständig ausgefüllt.
Die Immersionsfüllung (654) kann hier z. B. aus einem hochtransparentem elastischen Silikongel oder Silikonkautschuk oder aus Polymethylmetacrylat bestehen. Mit Hilfe der Immersionsfüllung kann die Lichteinkoppelung verbessert werden.
Das Material des optischen Immersionsfüllungselements (654) wird so ausgewählt, dass eine Indexanpassung zwischen den Brechnugsindices des LED-Kunststoffgehäuses (61) und des Lichtleiterstabs (652) erzielt wird. Für gängige transparente Kunststoffe oder Gläser liegen die Brechnugsindices des LED-Kunststoffgehäuses (61) und des Lichtleiterstabs (652) etwa bei n ≈ 1,48. Wählt man daher eine optischen Immersionsfüllung (654) aus Silikonkautschuk (n 1,42) oder Polymethylmetacrylat (n ≈ 1,49), so gelangt die Strahlung von der Lichtaustrittsfläche der Lichtquelle (61) mit relativ geringen Verlusten in die Lichteintrittsfläche des Lichtleiterstabs (652).
Da nun die Immersionsfüllung (654) (ebenso wie der Lichtleiterstab (652)) von dem Lichtleiter-Isolationsschlauch (653) begrenzt wird und dessen Brechungsindex deutlich niedriger ist (ca. n ≈ 1,30 bzw. n ≈ 1,34), kommt es am Außenumfang der Immersionsfüllung (654) (und des Lichtleiterstabs (652)) zu lichtleitender Totalreflexion mit relativ großer optischer Apertur. Somit kann ein großer Teil der Strahlung der LED (61) durch Lichtleiteffekt in den Lichtleiter (652) gelangen, welcher ansonsten verloren wäre.
Die 1a und 1b zeigen ferner eine Kappe (68), die auf das Lichtaustrittsende des Lichtleiters (650) aufgesetzt werden kann. Diese Kappe (im folgenden auch Gewebeandruckkörber genannt) erlaubt den direkten Gewebekontakt mit der Lichtaustrittsfläche der Lichtleiteranordnung und kann leicht ausgewechselt werden. Sie wird später anhand der 4 genauer beschrieben.
In einem praktischen Ausführungsbeispiel wird ein Lichtleiterstab aus Quarzglas von 10 cm Länge und 8 mm Durchmesser, optisch isoliert durch einen enganliegenden mit Teflon^® AF beschichteten Teflon^® FEP-Schlauch mit einer Immersionszwischenschicht aus dem Perfluorpolyäther (PFPE) Krytox^® 16350 zwischen dem Teflon^® FEP-Schlauch und der Zylindermantelfläche des Lichtleiterstabs an ein Dioden-Array (bestehend aus 4 Einzeldioden) gekoppelt, welche im Bereich von 460 nm emittieren.
Das LED-Array hat eine elektrische Leistung von 15 Watt, und die gesamte emittierte Strahlung eine Leistung von ca. 3 Watt. Die Strahlausgangsleistung gemessen am Lichtleiterende beträgt immerhin 2,8 Watt, während sich eine Leistungsdichte unmittelbar an der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters von 5,6 Watt/cm² ergibt. Mit dieser Leistungsdichte lassen sich bereits einige wichtige dermatologische Indikationen (Besenreiser, Altersflecken, Warzen etc.) durch die thermische Wirkung der Strahlung bei Gewebeandruck behandeln, eine Anwendung, die man ansonsten nur mit Laserlicht erreicht.
Auch für die Aushärtung lichthärtender Kunststoffe und Kleber mit Blaulicht innerhalb weniger Sekunden ist diese Leistungsdichte voll ausreichend. Selbstverständlich können für diese Anwendung auch leistungsstarke LEDs bzw. LED-Arrays im UV-Bereich oder im Violetten (ca. 405 nm Wellenlänge) eingesetzt werden.
2 zeigt noch einmal im Detail die optische Isolation (6f53) eines Lichtleiters (6f52), welcher an eine hochdivergent emittierende LED oder an ein LED-Array (6f61) angekoppelt ist. Die optische Isolation (6f53) kann bis zu drei verschiedene fluorierte Polymere enthalten. Der Lichtleiter besteht in diesem Beispiel aus einem homogenen allseits polierten Stab aus Quarzglas (6f52 oder 6f520) mit zylindrischer Symmetrie. Auf seiner Mantelfläche befinden sich eng anliegend drei Isolationsschichten:
Die erste direkt mit der Mantelfläche des Lichtleiterstabs (6f520) in Kontakt stehende Schicht (6f533) besteht aus einer Flüssigkeit bzw. aus einem flüssigen Polymer welche(s) perfluoriert ist, hochviskos ist und einen extrem hohen Siedepunkt hat (T_s > 200°C). Perfluorpolyäther sind solche Flüssigkeiten.
Als Beispiel für solche Flüssigkeiten sind Krytox^®, Fombline^® und Galden^® genannt. Die Flüssigkeit Krytox^® 16350 ist beispielsweise geeignet An diese Schicht grenzt eine dünne Schicht (6f532) eines festen amorphen perfluorierten Polymers mit einer Dicke d von etwa 0,3 λ–6 λ, insbesondere von etwa 0,3 λ–4 λ, wobei λ die optische Wellenlänge des transmittierten Lichts ist. Teflon^® AF oder Hyflon^® AD oder Perfluoroalkyl-Vinyläther mit erhöhtem Copolymeranteil sind mögliche Materialien für diese dünne Schicht (6f532).
Die äußere Schicht (6f531) ist ein Schutzschlauch dessen Innenoberfläche mit der dünnen Schicht (6f532) aus dem amorphen perfluorierten Polymer beschichtet ist. Der Schutzschlauch (6f531) besteht vorzugsweise aus einem Kohlenstofffluorpolymer und hat eine Wandstärke von ca. 0,1 bis 1 mm.
Perfluorierte Polymere wie Teflon^® FEP, Teflon^® MFA, Teflon^® PFA, Teflon^® PTFE sind besonders bevorzugte Materialien für den Schutzschlauch (6f531). Aber auch teilfluorierte Polymere wie z. B. das Terpolymer Hostaflon^® TFB lassen sich als Material für den äußeren Schlauch (6f531) einsetzen, wegen der besseren Flexibilität dieser Schläuche.
Da die Mantelfläche des Lichtleiterstabs (6f520) erfindungsgemäß generell von der Schicht (6f533) aus dem perfluorierten oder teilfluorierten flüssigen Polymer umhüllt wird, die als Immersionsschicht bereits eine ausreichende Indexanpassung zu dem Schutzschlauch (6f531) gewährleistet, kann man die feste amorphe Innenbeschichtung (6f532), die z. B. aus Teflon^® AF besteht, aus Kostengründen auch sehr dünn machen, z. B. nur etwa 0,5 λ dick. Die feste Innenbeschichtung (6f532) gibt dann die minimale Gesamtschichtdicke zwischen Lichtleiterstab (6f520) und Schutzschlauch (6f531) vor, weil die Flüssigkeitsschicht (6f533) ja grundsätzlich beweglich ist und durch äußere Kraftweinwirkung wie beim Biegen der Lichtleiteranordnung an bestimmten Stellen verdrängt werden kann.
Um noch mehr Materialkosten an den sehr teuren Innenbeschichtungsmaterialien wie Teflon^® AF zu sparen, kann man die feste amorphe Innenbeschichtung (6f532) auch ganz weglassen und nur die Flüssigkeitsschicht (6f533) als direktes Kontaktmedium mit der Mantelfläche des Lichtleiters (6f520) verwenden. Diese weniger aufwendige optische Isolation ist zwar auch etwas weniger wirksam, aber für Lichtleiterlängen bis zu 1000 cm immer noch sehr gut.
Generell sollte die Immersionsschicht (6f533) mit der nächstfolgenden Isolationsschicht (amorphe Schicht 6f532 oder Schutzschlauch 6f531) eine zumindest angenäherte Brechungsindexanpassung herbeiführen.
Die flüssige Isolationsschicht (6f533) hat auch einen großen Montagevorteil. Sie wird vor der Verkleidung des Lichtleiterstabs (6f520) auf dessen Mantelfläche aufgebracht. Der Lichtleiter lässt sich dann leicht in den eng sitzenden Schutzschlauch (6f53) einschieben. Die Flüssigkeitsschicht (6f533) kann wegen ihrer hohen Viskosität und wegen ihres hohen Siedepunktes auf Dauer in der Lichtleiterstruktur verbleiben. Diese optische Isolationstechnik ist nicht nur für starre Lichtleitstäbe aus Quarzglas, Glas oder transparentem Kunststoff sondern auch für flexible Lichtleitfasern aus Quarzglas, Glas oder für schon optisch mit geringem Aperturwinkel isolierte Lichtleitfasern z. B. aus Quarzglas-Quarzglas oder für optische Fasern aus Plexiglas^® und anderen transparenten Kunststoffen verwendbar.
Das optische Bestrahlungsgerät gemäß 2 enthält noch ein innen verspiegeltes Röhrchen (6f62), welches z. B. aus Aluminium sein kann. Das Röhrchen (6f62) umhüllt sowohl auf einigen Millimetern Länge den Lichteintrittsbereich des Lichtleiterstabs (6f52) mit möglichst geringem Spalt zwischen dem Innenlumen des Röhrchens (6f62) und der Umfangsfläche des Lichtleiterstabs (6f52), als auch den Dom aus Glas oder Kunststoff der LED (6f61) so weit wie möglich. Im Idealfall reicht das Röhrchen (6f62) bis zur Bodenplatte (6f63), dem PCB-Board der LED.
Das Röhrchen (6f62) erfüllt ebenso wie die zuvor unter Bezugnahme auf 1b beschriebene Immersionsfüllung (654) den Zweck einer besseren optischen Einkopplung des LED-Lichts in die Lichteintrittsfläche des Lichtleiterstabs (6f52). Allerdings tritt bei dem Reflektorröhrchen (6f62) eine stärkere Wärmeentwicklung auf als bei der zuvor beschriebenen Lösung mit der Immersionsfüllung (654).
Die Verspiegelung auf der Innenfläche des Röhrchens (6f62) kann elektrolytisch oder durch Aufdampfen oder durch Bekleben der Innenfläche des Röhrchens mit einer reflektierenden Folie erfolgen. In der Anordnung gemäß der Geometrie von 2 bewirkt das Röhrchen (6f62) eine um ca. 25% gesteigerte Lichtausgangsleistung aus dem Lichtleiter (650).
Die Technik der effektiveren Einkoppelung des LED-Lichtes mit Hilfe des Reflektorröhrchens (6f62) lässt sich auch gut für Flüssigkeitslichtleiter, d. h. für Lichtleiter mit flüssigem lichtleitendem Kern, verwenden, weil diese am Lichteintrittsende einen zylinderförmigen Lichtleitstab aus Quarzglas aufweisen.
Der Dom eines LED-Arrays mit 4 Einzeldioden hat etwa einen Durchmesser von 6 mm so dass man für einen Lichtleiterstab mit 5–6 mm lichtaktivem Durchmesser und einem Reflektorröhrchen (6f62) von ca. 6 mm Innendurchmesser eine gute Anpassung zwischen LED und Lichteintrittsfläche des Lichtleiterstabs erreichen kann. Der Lichtleiterstab (6f52) kann auch das Lichteintrittsfenster eines Flüssigkeitslichtleiters sein.
Bei einem größeren Mismatch der Querschnittsfläche zwischen dem Dom (6f61) und der Lichteintrittsfläche des Lichtleiterstabs (6f52) kann man auch innen konisch verlaufende Reflektorröhrchen (6f62) oder eines mit Stufenprofil im Innenlumen verwenden.
2 zeigt auch eine Platte (6f64) aus Oxydkeramik mit hoher optischer Transparenz und guter Wärmeleitfähigkeit. Diese Platte wird abnehmbar auf die Lichtaustrittsf1äche des Lichtleiters aufgesetzt. Sie sollte eine Dicke von mehr als 1 mm haben, z. B. eine Dicke von 10 mm, und die Lichtaustrittsfläche des Lichtleiterstabs (6f52) ganz abdecken. Sie kann sogar über die Querschnittsfläche des Lichtleiterstabs hinausragen, um die Wärmeableitung noch effektiver zu machen.
Ein geeignetes Material für diese Platte, welche in einer Anwendung zur Patientenbehandlung an das Gewebe angedrückt wird, ist zum Beispiel Al₂O₃ oder MgO. Diese Platte (6f64) wirkt bei Andruck an das Gewebe als Kühlung der Gewebeoberfläche während der Bestrahlung mit Licht und ermöglicht, dass man ein Vielfaches an Strahlungsenergiedichte in das Gewebe einbringen kann, ohne die Gewebeoberfläche zu verbrennen oder zu koagulieren. Eine potentielle Anwendung dieser Technik ergibt sich z. B. bei der Entfernung von Altersflecken oder Besenreisern oder der Behandlung von Akne mit Licht.
3 zeigt einen Lichtleiterstab (6g52) aus Glas, Quarzglas oder Plexiglas, auf dessen Umfangsfläche sich eine optische Isolation (6g53), entsprechend der anhand von 2 beschriebenen, befindet. Die Lichtaustrittsfläche (6g55) ist bei diesem Lichtleiter annähernd sphärisch gekrümmt mit einem Krümmungsradius der in der Größenordnung von einem halben bis zu einem Durchmesser des Lichtleiterstabs (6g52) liegt. Die sphärische Krümmung erlaubt ein sicheres Positionieren der Lichtaustrittsfläche auf dem zu behandelnden Körperbereich eines Patienten und erleichtert dadurch die optimale Ausrichtung des emittierten Lichtstrahls.
Die gekrümmte Lichtaustrittsfläche (6g55) des Lichtleiterstabs (6g52) bewirkt eine bessere Homogenität des Ausstrahlungsbildes. Sie ermöglicht auch bei Kontaktierung mit dem Gewebe, z. B. bei der Behandlung von Akne oder Altersflecken, eine bessere Zielgenauigkeit. Verwendet man als Lichtquelle für diesen Lichtleiterstab statt einer LED eine Lichtquelle mit geringerer Strahldivergenz, so kann die Linsenwirkung der gekrümmten Lichtaustrittsfläche (6g55) im Nahbereich auch eine etwas erhöhte Strahlleistungsdichte erzeugen. Über die gekrümmte Lichtaustrittsfläche (6g55) kann noch eine Silikonkappe gesetzt werden, wie sie beispielsweise in den 1a, 1b und 4 gezeigt ist.
In den 2 und 3 ist bewusst keine Gewebeandruckkappe (68) wie in den 1a und 1b dargestellt. Dies deshalb, weil die Verbesserungen der optischen Transmission, die anhand der 2 und 3 erklärt wurden, unabhängig von den dermatologischen und kosmetischen Anwendungen der 1a und 1b einsetzbar sind und für sich genommen einen hochrelevanten Aspekt der vorliegenden Erfindung darstellen.
Die 4 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Bestrahlungsgerätes, das eine Basiseinheit bestehend aus einem Handgriff (59) mit Lüfter und Lumineszenzdioden-Array (nicht gezeigt) verwendet. Durch die zuvor beschriebenen Lichtleiteranordnungen gelingt die Ankopplung eines starren oder flexiblen Lichtleiters (550) an eine LED bzw. ein LED-Array, welche(s) sich in thermischem Kontakt auf einem Handstück mit Kühlung befindet. Der starre oder flexible Lichtleiter (550) wird durch einen rohrförmigen Ansatz mit Sockel (551) gehaltert. Die Lichteintrittsfläche des Lichtleiters (550) befindet sich praktisch in Berührung mit dem Gehäuse bzw. dem Dom (61) eines LED-Arrays.
Die Verbindung eines starren Lichtleiters mit dem Dioden-Array in der hier beschriebenen hocheffizienten Weise erlaubt auch die Verwendung der LED-Strahlung in Körperhöhlen (Nase, Ohr, Rachenraum etc.), weil höhere Strahlleistungsdichten näher an den Ort der Behandlung herangeführt werden können. Es ist ebenfalls möglich das Gerät aus 4 in der Zahnheilkunde für die Polymerisation von Kunststofffüllungen oder für industrielle Anwendungen zum Aushärten von lichthärtenden Kunststoffen auf Basis von Epoxiden, Acrylaten oder Silikonelastomeren zu benützen. So erlaubt es die weiche, anpassungsfähige Kappe (58), das Lichtleiterende bei der Polymerisation einer Dentalfüllung auf die Füllung aufzusetzen, auch unter Druck, wobei die höchste Strahlleistungsdichte genutzt werden kann und die Sauerstoffinhibierung der Polymerisation an der Oberfläche durch mechanische Verdrängung des Luftsauerstoffes reduziert werden kann.
Man kann die Kappe (58) in 4 aus weichem hochtransparentem Silikonkautschuk auch als Einwegkappe benutzen, so dass die Lichtaustrittsfläche des starren Lichtleiters, der auch ein am Lichtaustrittsende etwas gekrümmter starrer Faserstab sein kann, stets sauber und mit maximaler Durchlässigkeit für die Polymerisationsstrahlung, zur Verfügung steht.
Die Kappe (58) in 4 oder (68) in den 1a und 1b kann auch die Form eines länglichen Strumpfes haben (auch auswechselbar als Einwegteil), der bei medizinischen Anwendungen, infolge seiner Sterilisierbarkeit oder Autoklavierbarkeit, den Kontakt des starren oder flexiblen Lichtleiters (550, 650) mit dem Gewebe erlaubt.
Im folgenden wird die Kappe (58 bzw. 68) nochmals genauer beschrieben. Sie besteht vorzugsweise zumindest an ihrer Strahlaustrittsfläche aus einem Kunststoff-Polymer, welches zumindest transluzent, vorzugsweise aber hochtransparent ist. Als Material für die Kappe bzw. die Gewebeandruckfläche kann in erster Linie Silikonkautschuk aber auch Materialien wie Fluor-Kohlenstoff Polymere (Teflon^® FEP, Teflon^® MFA, Teflon^® PTFE, Hyflon^® THV) oder Polyurethan oder Polyethylen (auch vernetzt) Verwendung finden.
Der Andruck der Kappe an das zu behandelnde Gewebe bewirkt dort außerdem eine verminderte Durchblutung, die ein tieferes Eindringen der Strahlung zur Folge hat, weil Blut ein starker Lichtabsorber ist. Dadurch ist eine optische Behandlung tieferer Gewebeschichten mit oder ohne wirkstoffhaltige Substanzen möglich. Material und Geometrie der Kappe sind so gewählt, dass sich deren Andruckfläche bei Andruck auf eine ebene harte Testfläche mit einem Druck von mindestens 0,5 N/cm² um mindestens 5%, vorzugsweise ca, 10% vergrößert.
Es ist auch möglich, fluoreszierende Farbstoffe direkt in die Silikonkautschukkappe (58, 68), welche mit dem Gewebe kontaktiert, einzubringen, um das LED-Licht in längerwelliges Fluoreszenslicht umzuwandeln oder zumindest eine längerwellige Farbbeimischung zu dem beispielsweise blauen LED-Licht zu erhalten mit dem Ziel einer größeren Eindringtiefe der Strahlung in das Gewebe.
Diese Fluoreszenztechnik erlaubt es, auf einfache und kostensparende Weise eine einzige LED-Lichtquelle in vier verschiedenen Farbbereichen (Blau, Gelb, Rot, Weiß) mit verschiedener Eindringtiefe im Gewebe für medizinische oder kosmetische Anwendungen oder nur für Beleuchtung, zu verwenden. Die Alternative wäre sonst die Verwendung von vier verschiedenen LED-Strahlungsquellen, was natürlich auch möglich aber kostspieliger ist. Die Fluoreszenztechnik ist nicht beschränkt auf die Verwendung von blauem Licht als Pumpstrahlung. Sie funktioniert hier allerdings besonders gut wegen des maximalen Wirkungsgrades der Dioden im Blaubereich und der Tatsache dass die besonders effizienten Perylen-Fluoreszenzfarbstoffe Lumogen^® rot und Lumogen^® gelb (oder Lumogen^® orange) im Blauen ihre stärkste Absorption bzw. die wirkungsvollste Pumpbande haben. Gut geeignet sind Lumogen^® Farbstoffe aus der Gruppe der Perylene, die sich in den nicht polaren Slikonölen gut lösen und deshalb auch gut in die Silikonkautschukkappe (58, 68) mit eingebaut werden können. Aber auch andere Fluoreszensfarbstoffe lassen sich vor dem Gießen und Vernetzen der Kappe in der Flüssigphase des Silikons mit einbauen.
So ist es möglich zur Erzeugung von längerwelligem Fluoreszenzlicht im gelben und roten Spektralbereich bei Anregung mit Blaulicht in das Material der Gewebeandruckkappe aus Silikon, welches aber auch aus einem anderen transparenten Polymer oder Elastomer oder kautschukartigen Material bestehen kann, außer Lumogen^® Farbstoffen auch folgende fluoreszierende Farb- oder Leuchtstoffe einzubauen: Leuchtstoffe auf Basis von seltenen Erden, wie z. B. Cer, Samarium, Europium, Terbium, Neodym und andere, welche ihrerseits meist in einer gläsernen Matrix wie z. B. (Sr, Ba, Ca)₂ SiO₂ oder in kristalliner Matrix, wie in Yttrium-Aluminium-Granat (Y₂Al₅O₁₂) eingebaut, und in fein pulverisierter Form erhältlich sind.
Aber auch Farb- bzw. Leuchtstoffe auf Basis von Übergangsmetallen wie z. B. Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni Cu usw. lassen sich, wenn sie in einer kristallinen Matrix eingebaut sind und in pulverisierter Form vorliegen, in die Gewebeandruckkappe einbauen oder vor der endgültigen Vernetzung (Silikon) bzw. Aushärtung einmischen.
Als Beispiel sei hier ein Leuchtstoff bestehend aus pulverisiertem Rubin, d. h. Chromionen in einer Matrix aus kristallinem Al₂O₃ genannt. Dieser Leuchtstoff absorbiert im blauen und violettem Spektralbereich und fluoresziert im langwelligen roten Spektralbereich bei 694 nm.
Oder man inkorporiert in das Silikon der Gewebeandruckkappe fein pulverisiertes Plexiglas (Acrylglas) oder andere pulverisierte transparente Kunststoffe welche mit einem Perylen Farbstoff (Lumogen^®) dotiert wurden, so dass sich die Perylen-Moleküle in einer Matrix aus Acrylglas oder einem anderen Kunststoff befinden, was von Vorteil ist, weil die Perylene in einer solchen Matrix wie Acrylglas besonders photostabil sind und besonders effektiv fluoreszieren.
Des weiteren können in die Andruckkappe auch fluorezierende Leuchtstoffe auf der Basis von Quantum Dots, wie z. B. CaTe, oder (Cd, Se) ZnS oder Pb Se, auch als Nanopigmente, eingebaut werden.
Man kann die mit Leuchtstoffen dotierten Gewebeandruckkappen aus Silikon nach der Vernetzung noch zusätzlich, vor allem auf der Gewebeandruckfläche mit einer dünnen Schicht aus Silikon beschichten (Dicke der Schicht 0,1 mm – 1 mm), um zu vermeiden, dass die Leuchtstoffe mit dem Gewebe in Berührung kommen.
Zu allen diesen Farb- bzw. Leuchtstoffen in Silikon oder anderen transparenten Polymeren oder Elastomeren, kann man noch feingekörntes SiO₂-Pulver (allgemeiner: Glaspulver oder Pulver aus Al₂O₃) beimischen, um die Homogenität und die Effektivität der emittierten Fluoreszensstrahlung zu verbessern. Das SiO₂-haltige Pulver kann hier bis zur feinst möglichen Körnung im Nanobereich verwendet werden.
So kann man mit einer Silikonkappe welche z. B. mit den seltenen Erdfarbstoffen Eu und/oder Ce dotiert ist, noch mit einem Zusatz von SiO₂-haltigem Pulver, bei Anregung mit einer LED, welche im Blaubereich bei ca. 460 nm emittiert, sehr homogenes diffuses Weißlicht erzeugen, welches sich auch als Diagnoselicht hervorragend eignet, und dies nicht nur bei dermatologischen Anwendungen sondern auch z. B. in der Forensik.
Aber auch Glaspulver, wie z. B. Glas-Bubbles oder Al₂O₃-Pulver, insbesondere SiO₂-Pulver, allein in der Silikonkappe, d. h. ohne Zusatz eines Leuchtstoffes, kann nützlich sein. Es wirkt als Lichtdiffusor und kann in speziellen Fällen bei der Applikation der Lichtstrahlung z. B. in Körperhöhlen nützlich sein.
Bei Anwendungen des Bestrahlungsgerätes gemäß den 1–4 für die Licht- oder UV-Härtung, beispielsweise von Materialien auf Epoxid-Acrylat- oder Silikonelastomer-Basis, bei denen die Strahlaustrittsfläche in Kontakt mit dem zu härtenden Kunststoff kommen kann oder soll, kann es wegen der besseren Antihafteigenschaft auch von Vorteil sein, eine Kappe zu verwenden deren Strahlaustrittsfläche aus einem Fluor-Kohlenstoff-Polymer besteht. Besonders vorteilhaft sind hierfür perfluorierte Polymere wie z. B. Teflon^® FEP oder Teflon^® MFA. So transmittieren dünne Folien (d = 0,5 mm) aus diesen Materialien sowohl im UVA- als auch im sichtbaren Spektralbereich über 80%, und sind ebenfalls für medizinsche Anwendungen sterilisierbar und autoklavierbar.
Die in den 1a, 1b und 2 nur schematisch dargestellte und in den übrigen Figuren zur besseren Übersichtlichkeit gar nicht gezeigte Strahlungsquelle (61, 6f61) wird im folgenden noch näher beschrieben:
Die Strahlungsquelle (61) kann in einer herkömmlichen optischen Lichtquelle, bspw. einer Gasentladungslampe bestehen, enthält aber vorzugsweise eine oder mehrere Lumineszenzdioden (LEDs). Besonders bevorzugt ist ein Dioden-Array, welches sich aus 4 oder 6 oder noch mehr LEDs zusammensetzt, die meistens in Serie oder parallel zueinander geschaltet sind. Bei Akkubetrieb kann man die LEDs aber auch paarweise parallel miteinander verschalten. Die elektrische Gesamtleistung des Dioden-Arrays liegt zwischen 5 und 30 Watt, bevorzugterweise im Bereich von 5–25 Watt, besonders bevorzugt im Leistungsbereich zwischen 8 und 18 Watt.

Die Dioden des Arrays können im Spektralbereich zwischen 320 nm und 1500 nm, vorzugsweise zwischen 350 nm und 1000 nm, emittieren. Die Dioden können alle in einem einheitlichen Spektralbereich emittieren oder gemischt in zwei verschiedenen Spektralbereichen. So kann man zum Beispiel ein Array bestehend aus 4 Einzeldioden verwenden, wobei 2 Dioden im Rotbereich und 2 Dioden im Blaubereich emittieren. Man kann auch 2 Dioden im Blaubereich und 2 Dioden im UVA-Bereich miteinander kombinieren. Die Wahl der Spektralbereiche der Dioden hängt davon ab, ob man eine größere Eindringtiefe im Gewebe (rot, nahes infrarot) oder eine geringere Eindringtiefe (blau, violett) oder auch noch eine photochemische Wirkung durch Radikalbildung (UVA, violett) erreichen will. Bezugszeichenliste

58	Kappen-Aufsatzelement
59	Basiskörper
61	Strahlungsquelle
68	Kappen-Aufsatzelement
550	Lichtleiteranordnung
551	Zwischenstück
650	Lichtleiteranordnung
652	Lichtleiterstab
653	Isolationsschicht(en)
654	Immersions-Füllelement
6f52	Lichtleiterstab
6f53	Isolationsschicht(en)
6f520	Lichtleiterstab
6f531	süßere Schutzschlauchschicht
6f532	dünne Schicht
6f533	Flüssigkeitsschicht
6f61	Strahlungsquelle
6f62	Reflektorelement
6f63	Basiskörper
6f64	Al₂O₃-Aufsatzelement
6g52	Lichtleiterstab
6g53	Isolationsschicht(en)
6g55	gekrümmte Lichtaustrittsfläche

Claims

Lichtleiteranordnung (550; 650) mit einem starren oder flexiblen Lichtleiterstab (652; 6f52, 6f520; 6g52), der von mindestens einer Isolationsschicht (653; 6f53; 6g53) ummantelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Isolationsschicht (653; 6f53; 6g53) eine Flüssigkeitsschicht (6f533) aus einem flüssigen perfluorierten oder teilfluorierten Polymer umfasst.
Lichtleiteranordnung (550; 650) nach Anspruch 1, wobei die Flüssigkeitsschicht (6f533) hochviskos ist, einen Brechungsindex zwischen 1,28 und 1,32 hat und/oder einen Siedepunkt von über 200°C aufweist.
Lichtleiteranordnung (550; 650) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Flüssigkeitsschicht (6f533) direkt mit der Mantelfläche des Lichtleiterstabs (6f52, 6f520; 6g52) in Kontakt steht und/oder einen Perfluorpolyäther, insbesondere Krytox^®, Fombline^® oder Galden^®, beispielsweise Krytox^® 16350, enthält.
Lichtleiteranordnung (550; 650) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Isolationsschicht (653; 6f53; 6g53) ferner eine dünne Schicht (6f532) aus einem festen amorphen perfluorierten Polymer, wie bspw. Teflon^® AF, Hyflon^® AD oder Perfluoroalkyl-Vinyläther mit erhöhtem Copolymeranteil, umfasst, die vorzugsweise eine Dicke aufweist, die dem etwa 0,3 bis 6-fachen der Wellenlänge des transportierten Lichts entspricht.
Lichtleiteranordnung (550; 650) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Isolationsschicht (653; 6f53; 6g53) ferner eine äußere Schutzschlauch-Schicht (6f531) umfasst, die vorzugsweise aus einem Kohlenstofffluorpolymer gebildet ist, wobei das Kohlenstofffluorpolymer vorzugsweise Teflon^® FEP, Teflon^® MFA, Teflon^® PFA, Teflon^® PTFE, oder Hostaflon^® TFB ist.
Lichtleiteranordnung (550; 650) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einem an seiner Innenwand verspiegelten Reflektorelement (6f62), das vorzugsweise eine zylindrische Grundform aufweist, wobei das Reflektorelement (6f62) zwischen einem Basiskörper (6f63) und dem Lichtleiterstab (6f52, 6f520) angebracht ist, um die Einkopplung von aus einer Strahlungsquelle (6f61) emittiertem Licht in den Lichtleiterstab (6f52, 6f520) zu verbessern, und vorzugsweise das erste Ende des Reflektorelements (6f62) die Lichtaustrittsfläche der Strahlungsquelle (6f61) wenigstens teilweise umhüllt und das zweite Ende des Reflektorelements (6f62) das Lichteintrittsende des Lichtleiterstabs (6f52, 6f520) umhüllt.
Lichtleiteranordnung (550; 650) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einem zwischen dem Lichtleiterstab (652) und einer Strahlungsquelle (61) angebrachten Immersions-Füllelement (654), dessen Brechnungsindex so gewählt ist, dass er eine möglichst gute Brechungsindexanpassung zur Lichtaustrittsfläche der LED-Strahlungsquelle (61) und zum Lichtleiterstab (652) erreicht, um die Einkopplung von aus einer LED-Strahlungsquelle (61) emittiertem Licht in den Lichtleiterstab (652) zu verbessern.
Lichtleiteranordnung (550; 650) mit einem starren oder flexiblen Lichtleiterstab (652; 6f52) und einem zwischen einem Basiskörper (6f63) und dem Lichtleiterstab (652; 6f52) angebrachten Adapterelement (654; 6f62), um die Einkopplung von aus einer LED-Strahlungsquelle (61; 6f61) emittiertem Licht in den Lichtleiterstab (652; 6f52) zu verbessern, dadurch gekennzeichnet, dass: das Adapterelement ein an seiner Innenwand verspiegeltes Reflektorelement (6f62) ist, das vorzugsweise eine zylindrische Grundform aufweist, wobei vorzugsweise das erste Ende des Reflektorelements (6f62) die Lichtaustrittsfläche der LED-Strahlungsquelle (6f61) wenigstens teilweise umhüllt und das zweite Ende des Reflektorelements (6f62) das Lichteintrittsende des Lichtleiterstabs (6f52) umhüllt; oder das Adapterelement ein zwischen dem Lichtleiterstab (652) und der LED-Strahlungsquelle (61) angebrachtes Immersions-Füllelement (654) ist, dessen Brechnungsindex so gewählt ist, dass er eine möglichst gute Brechungsindexanpassung zur Lichtaustrittsfläche der LED-Strahlungsquelle (61) und zum Lichtleiterstab (652) erreicht.
Lichtleiteranordnung (550; 650) nach Anspruch 7 oder 8, wobei das Immersions-Füllelement (654) transparent ist und vorzugsweise ein hochtransparentes, weiches und elastisches Material, wie z. B. Silikongel oder Silikonkautschuk, oder einen transparenten Kunststoff, wie z. B. Polymethylmetacrylat, enthält oder aus einem dieser Materialien besteht.
Lichtleiteranordnung (550; 650) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Lichtleiterstab (652; 6f52, 6f520; 6g52) aus einem transparenten Glas oder Kunststoff, insbesondere Quarz, Quarzglas oder Plexiglas, gebildet ist.
Lichtleiteranordnung (550; 650) nach einem der vorstehenden Ansprüche, ferner mit einem Aufsatzelement (58, 68; 6f64) zum Aufstecken auf das Lichtaustrittsende des Lichtleiterstabs (6f52, 6f520), wobei das Aufsatzelement (6f64) vorzugsweise aus Al₂O₃ oder MgO gebildet ist.
Lichtleiteranordnung (550; 650) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Lichtaustrittsfläche (6g55) des Lichtleiterstabs (6g52) annähernd sphärisch gekrümmt ist, wobei der Krümmungsradius der Lichtaustrittsfläche (6g55) vorzugsweise in etwa dem halben bis einfachen Durchmesser des Lichtleiterstabs (6g52) entspricht.
Optisches Bestrahlungsgerät, mit einem Basiskörper (59; 6f63) der eine Strahlungsquelle (61; 6f61) zur Emission von Licht in einem Wellenlängenbereich zwischen 320 nm und 1500 nm aufweist, und einem Zwischenstück (551), das auf dem Basiskörper (59; 6f63) aufgesetzt ist, um das Licht von der Strahlungsquelle (6f61) in Richtung eines zu bestrahlenden Objekts zu leiten, wobei das Zwischenstück (551) eine starre oder flexible Lichtleiteranordnung (550; 650) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche enthält.
Optisches Bestrahlungsgerät nach Anspruch 13 zur dermatologischen oder kosmetischen Behandlung eines Patienten, ferner mit einem am Lichtaustrittsende des Zwischenstücks (551) angeordneten Aufsatzelement (58; 68), das dazu ausgelegt ist, in unmittelbaren Kontakt mit einem zu behandelnden Körperbereich des Patienten gebracht zu werden, und ein Elastomer, wie z. B. Silikonkautschuk, enthält und bei Andruck gegen den zu behandelnden Körperbereich verformbar ist.
Optisches Bestrahlungsgerät nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Aufsatzelement (58; 68) ferner wenigstens eines der folgenden Materialien enthält: Glaspulver, Al₂O₃-Pulver, Kohlenstoffpulver, und fluoreszierenden Farbstoff.