DE19860960B4

DE19860960B4 - Beleuchtungsanordnung zum Polymerisieren

Info

Publication number: DE19860960B4
Application number: DE19860960.4A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-08-21
Filing date: 1998-10-09
Publication date: 2019-02-21
Anticipated expiration: 2018-10-10
Also published as: DE19860960A1

Abstract

Beleuchtungsanordnung zum Polymerisieren im Dentalbereich und für industrielle Zwecke, umfassend den Wellenlängenbereich UVB, UVA und Blau bis etwa 500 nm, enthaltend:
eine wechselstrombetriebene Hg-Dampfentladungslampe (1),
einen Reflektor (2) und
einen biegsamen Lichtleiter (6),
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hg-Dampfentladungslampe (1) einen Betriebsdruck von über 100, vorzugsweise bis etwa 200 bar aufweist und
der Reflektor (2) ein selektiv reflektierender Elliptoidreflektor ist, der im Wellenlängenbereich von kleiner als etwa 500 nm einen hohen Reflexionsanteil und im Wellenlängenbereich von größer als etwa 500 nm einen geringen Reflexionsanteil aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsanordnung zum Polymerisieren im Dentalbereich und für industrielle Zwecke gemäß Anspruch 1 und ihre Verwendung gemäß einem der Ansprüche 12, 13 und 14. Es ist bekannt, Lichtleiter und insbesondere Flüssigkeitslichtleiter zum Polymerisieren von monomeren Verbindungen einzusetzen. So wurden bis etwa 1982 Lichtleiterpolymerisationsgeräte im Dentalbereich eingesetzt, deren wirksames Licht hauptsächlich im UV-Bereich, später dann auch im sichtbaren Bereich bis etwa 500nm lag.
Die im Dentalbereich Anfang der 70er Jahre verwendeten Geräte auf der Basis von Hg-Hochdrucklampen hat man inzwischen aufgegeben. Ihr Elektrodenabstand erwies sich für eine günstige Ankoppelung von Flüssigkeitslichtleitern als zu groß und somit die Lichtausbeute zu gering. Hinzu kam eine Einbrenndauer von mehreren Minuten.
Auch Hg-Höchstdrucklampen mit kleinerem Elektrodenabstand und höherem Hg-Dampfbetriebsdruck von ca. 80 bar haben im Dentalbereich keinen Eingang gefunden, hauptsächlich wegen der langen Einbrenndauer, der geringen Lebensdauer und deren ungünstigen Linienspektrum mit einem nur geringen quasikontinuierlichen Anteil an Untergrundstrahlung. Dies gilt vor allem im blauen Spektralbereich, der heute bevorzugt wird.
Andere Beleuchtungsanordnungen mit Flüssigkeitslichtleiter waren später mit Wolfram-Halogen-Lampen von 150 Watt und mit einem Elliptoidreflektor ausgestattet wie die Translux-Geräte von Heraeus Kulzer. Aber auch sie weisen Nachteile auf. So liegt ihr Emissions-Spektrum im Bereich von etwa 400 bis 500nm, ein UV-Bereich ist also nicht vorhanden und auch nicht möglich. Bei einem Output von lediglich 300 mWatt benötigt man lange Aushärtzeiten, im Dentalbereich mehr als eine Minute zum Härten der Füllung.
Neuere Lampen sind die Xenon-Höchstdrucklampen (Cermax-Lampen) mit integriertem Elliptoidreflektor, welche an Lichtleiter angekoppelt werden können. Derartige Lampen weisen bei einer elektrischen Eingangsleistung von 300 Watt einen Lichtleiter-Output von ca. 2.5 Watt im Bereich von 400 bis 500nm auf, wobei zusätzlich UV-Licht beigemischt werden kann. Die Aushärtung von Komposite-Füllungen im Dentalbereich benötigt bei Anwendung solcher Lampen nur noch 10 bis 20 Sekunden.
Lampen dieser Art weisen jedoch ebenfalls gravierende Nachteile auf. Die Lampe ist sehr teuer und nur mit einer aufwendigen DC-Stromversorgung zu betreiben. Zwei Drittel ihrer Strahlungsemission liegt im nahen IR-Bereich, weswegen eine aufwendige Filterung der Strahlung erforderlich ist, um den angeschlossenen Flüssigkeitslichtleiter nicht zu zerstören. Außerdem ist die Patientensicherheit durch Filterbruch gefährdet. Hinzu kommt der schlechte Wirkungsgrad wegen des hohen IR-Anteils der Strahlurigsemission, ähnlich wie bei einer Wo-Halogenlampe.
In industriellen Polymerisationsverfahren, insbesondere bei Klebern, finden heute in Verbindung mit flexiblen Lichtleitern Hg-Höchstdrucklampen Verwendung, z.B. solche vom Typ HBO 100 und HBO 200 der Firma Osram. Die wirksame Strahlung für die Polymerisation liegt hauptsächlich im UVA-Bereich, neuerdings aber auch im Blau-Bereich. Bei einem Elektrodenabstand von nur 0,2mm bei der HBO 100 weisen derartige Lampen eine hohe Leuchtdichte von 170.000 cd/cm² auf, was vor allem die Strahlungseinkoppelung in dünne Lichtleiter vom Durchmesser 2-5mm, insbesondere kleiner gleich 3mm begünstigt. Darüber hinaus ist eine Fokussierung mit Elliptoidreflektoren möglich, wie es z.B. bei der integrierten Einheit von Lampe und Reflektor HBO R 103 W/45 der Firma Osram realisiert wurde.
Im Gegensatz zu den Wolfram-Halogen- und Xenon-Lampen benötigen derartige Höchstdrucklampen jedoch einige Minuten, bis sie ihren vollen Betriebsdruck und somit ihre Einsetzbarkeit erreichen. Eine derart lange Einbrennzeit ist jedoch für den Dentalbereich ungünstig. Hinzu kommt, daß deren vom Lichtleiter emittierte Leistung, vor allem im UVA-Bereich, nach etwa 100 Stunden auf die Hälfte absinkt.
Beispiele für Polymersiationsgeräte mit flexiblen Lichtleitern sind aus DE 40 14 363 A1 , WO 92/ 03 104 A1 und DE 35 23 243 A1 bekannt.
Wie ersichtlich weisen alle derartigen Polymerisationslampen für Lichtleitergeräte Nachteile auf, sowohl im Dental- auch auch im Industriebereich.
Es bestand daher die Aufgabe, eine Beleuchtungsanordnung vor allem für die dentale, aber auch für die industrielle Polymerisation bereitzustellen, welche derartige Nachteile nicht aufweist. Sie sollte vielmehr die nachfolgend aufgeführten Eigenschaften aufweisen:

1) Eine Einbrenndauer von unter1 Minute;
2) einen kleinen Elektrodenabstand im Bereich 1 Millimeters, um das leuchtende Plasmavolumen optimal auf die Lichteintrittsfläche eines flexiblen Lichtleiters von 3 bis 8mm aktivem Durchmesser abzubilden;
3) einen kugelförmigen Lampenkolben zwecks Abbildung des Plasmas mittels rotationssymmetrischer Fokussierungsmittel (Linsen, Elliptoidreflektor);
4) eine hohe Strahlungsausbeute im UVA-Bereich von 320 bis 400nm und im Blau-Bereich von 400 bis 500nm, ggf. für Industrieanwendungen auch im UVB-Bereich;
5) einen möglichst geringen Lichtanteil im langwelligen sichtbaren, also roten, und im nahen IR-Bereich, um dessen Eliminierung durch Filterung einfach und sicher vornehmen zu können;
6) einen möglichst hohen Wirkungsgrad, d.h. das Verhältnis von Output Lichtleiter im Bereich von 320 bis 500nm in Watt zu elektrischer Aufnahmeleistung der Lampe in Watt sollte möglichst groß sein und im Bereich von 3 bis 5% liegen;
7) eine möglichst kleine und unaufwendige Stromversorgung für die Lampe (aus Kostengründen), was vor allem dann möglich ist, wenn die Eigenschaft 6) erfüllt ist und folglich die elektrische Aufnahmeleistung der Lampe nicht wesentlich über 100 Watt betragen muß;
8) eine hohe Betriebsdauer von über 1000 Stunden.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß für die Beleuchtungsanordnung durch die Merkmale des Anspruchs 1 und für die Verwendungen durch die Merkmale der Ansprüche 12, 13 und 14 gelöst.
Dabei wirkt die Kombination folgender Merkmale synergistisch:

a) eine Ultrahochdruck-Hg-Dampfentladungslampe vom Typ VIP (100-200W) der Firma Osram oder vom baugleichen Typ UHP der Firma Philips mit einem Betriebsdruck von über 100 bis etwa 200 bar;
b) einem selektiv reflektierenden Elliptoidreflektor auf Basis von dielektrischer Dünnschichtverspiegelung, der im Wellenlängenbereich von kleiner als etwa 500nm einen hohen Reflektionswert aufweist und oberhalb etwa 500nm einen geringen Reflektionswert aufweist,
c) einem Flüssigkeitslichtleiter mit maximaler Transmission im Wellenlängenbereich UVB, UVA und Blau bis etwa 500nm.

Die Hg-Dampfentladungslampen gemäß a) werden seit kurzer Zeit von der Firma Osram und seit ca. 1 Jahr von Philips vertrieben. Sie sind bei Osram unter den Typenbezeichnungen VIP120W sowie VIP180W bekannt. Die baugleichen Lampen werden auch von der Firma Philips unter der Bezeichnung UHP-Lampen vertrieben.
Durch den extrem hohen Betriebsdruck nahe 200 bar, mit dem diese Hg-Lampen betrieben werden, gibt es im Vergleich zu den normalen und herkömmlichen Hg-Lampen eine starke Verbreiterung der Hg-Spektrallinien, was zu einer stark erhöhten quasikontinuierlichen spektralen Untergrundstrahlung im Bereich von 300nm < λ < 650nm führt. Diesem Strahlungsspektrum kann eine Farbtemperatur von ca. 8500° K zugeordnet werden, was den maximalen Emissionsbereich dieser Lampe in den Blau- und UVA-Bereich verschiebt. Aber auch in dem sonst bei Hg-Lampen schwach ausgeprägten Rot-Bereich haben diese Ultrahochdrucklampen wegen ihrer Linienverbreiterung eine für Video-Projektonszwecke noch akzeptable Emission. Aus diesem Grund werden diese VIP- als auch die UHP-Lampen ausschließlich im Bereich der Video-Projektion verwendet, also als Weißlichtquellen.
Der Vorteil der VIP- oder UHP-Lampen im Vergleich zu Xe-Lampe besteht in ihrer hohen Strahlungsausbeute im sichtbaren Bereich bzw. dem hohen Wirkungsgrad von sichtbarer Strahlungsleistung zur elektrischen Eingangsleistung. Aber auch in der für Hg-Lampen vergleichsweise kurzen Einbrennzeit von ca. 40 sec und der langen Lebensdauer von über 1000h zeigen die Ultrahochdrucklampen Vorteile. Derartige Ultrahochdruck-Hg-Lampen mit Betriebsdrucken von bis zu 200 bar und die starke Verbreiterung der Spektrallinien bei diesen Drucken werden bereits bei Meyer-Seitz beschrieben, allerdings in der Bauform als Kapillar-Lampen, welche sich für die Einkoppelung in Lichtleiter nicht eignen.
Für den erfinderischen Zweck ist der spektrale Anteil der erfindungsgemäß verwendeten VIP- bzw. der UHP-Lampen oberhalb λ = 500nm unerwünscht, weil er zusätzlich Wärme, aber keine photochemische Wirkung erzeugt. Aus diesem Grund wird ein fokussierender und zugleich selektiv reflektierender Elliptoidreflektor verwendet, der diesen unerwünschten spektralen Anteil oberhalb 500nm transmittiert und unterhalb 500nm reflektiert.
Als Elliptoidreflektor gemäß b) für die VIP 120W - Lampe eignet sich besonders der Reflektor, welcher am Markt im Zusammenhang mit der HBO 100W bereits verwendet wird (Reflektor der HBO R 103 W/45 von Osram).
Die besondere Eignung der Video-Projektor-Lampe VIP 120W mit integriertem Reflektor HBO R 103 W/45 und angekoppeltem Flüssigkeitslichtleiter für die Polymerisation im Dentalbereich mit Blaulicht und für den Industriebereich mit UVA- und Blaulicht erkennt man aus Tabelle 1, in welcher die Lichtleiter Emissionen (in Watt) für die wichtigsten Polymerisationslampen gegenübergestellt werden.
Tabelle 1 macht deutlich, daß die Beleuchtungsanordnung gemäß der Erfindung mit der VIP 120W Lampe und Elliptoidreflektor im Vergleich zu den anderen, bekannten Beleuchtungsanordnungen überadditive Lichtleiter-Ausgangswerte aufweist. Dies ist insbesondere beim Vergleich mit der 200W HBO DC Lampe erkennbar, deren Lichtleiter-Ausgangswerte deutlich niedriger liegen, obwohl sie mit 200W eine fast doppelt so große Aufnahmeleistung aufweist im Vergleich zu den 120 Watt der VIP-Lampe.
Auch gegenüber der HBO 100W Lampe mit Elliptoidreflektor zeigt die VIP 120W Lampe mit demselben Reflektor überraschend hohe Emissionswerte.
Selbst wenn man die gemessenen Lichtleiter-Ausgangswerte mit der VIP 120 W Lampe rechnerisch auf 100W elektrische Eingangsleistung reduziert, wie in Tabelle 1 geschehen, ergibt sich eine deutliche Überlegenheit der Lichtleiter-Emissionswerte für die VIP-Reflektorlampe in den für die Polymerisation wichtigen Spektralbereichen. Wichtig sind hierbei vor allem die Emissions- bzw. Outputwerte der Lichtleiter mit aktivem Durchmesser von 5mm und 8mm, welche in der Praxis am häufigsten verwendet werden.
Zieht man neben den deutlich überraschend erhöhten Lichtleiter-Ausgangswerten, die man mit der VIP 120W-Lampe erzielen kann, auch noch die schnellere Einbrenndauer von ca. 40 sec und die erhöhte Lebensdauer von über 1000 Stunden in Betracht, so kann man von einer unter den gegebenen technischen Möglichkeiten optimalen Polymerisationslampe sprechen.
1 zeigt schematisch den technisch-optischen Aufbau eines Dental-Polymerisationsgerätes, welches sich in leicht abgewandelter Form durch Ändern des optischen Filters (5) auch für industrielle Polymerisation verwenden läßt.
Die VIP 120W-Lampe (1) ist in horizontaler Position in den Elliptoidreflektor (2) der HBO R 103 W/45 der Firma Osram derart eingekittet, daß der Plasmamittelpunkt (3) der VIP-Lampe im ersten Brennpunkt (3a) des Elliptoidreflektors (2) zu liegen kommt. Der zweite Brennpunkt (5a) des Elliptoidreflektors (2) liegt auf der Lichteintrittsfläche (4) des Flüssigkeitslichtleiters (6).
Das Polymerisationsfilter (5) kann zweckmäßigerweise auf der Lichteintrittsfläche (4) des Flüssigkeitslichtleiters direkt aufgedampft sein, mit einem maximalen Transmissionsbereich im Blauen (400nm ≤ λ ≤ 500nm). Ein Shutter (7), der über einen Timer (8) aktiviert wird, regelt die Lichtdosis, welche auf eine Komposite-Füllung appliziert wird. Die Aktivierung des Timers (8) kann über einen am patientenseitigen Ende des Lichtleiters angebrachten Handschalter oder durch einen Fußschalter erfolgen. Bei ca. 3 Watt Ausgangsleistung im Blau-Bereich genügen ca. 3 - 4 Pulse von je 1 - 2 sec Dauer, um eine Komposite-Füllung vollständig auszuhärten.
Flüssigkeitslichtleiter (6), welche bei Polymerisationsgeräten im Dentalbereich oder für den Industriebereich bevorzugte Anwendung finden, sind bereits bekannt. Wegen der höheren Flexibilität verwendet man im Dentalbereich gerne Flüssigkeitslichtleiter bestehend aus Schläuchen aus THV (3M) (früher Hostaflon® TFB), welche mit einer Mischung aus Triethylenglykol und Wasser gefüllt sind. Im Industriebereich bestehen die Flüssigkeitslichtleiter aus Teflon® FEP Schläuchen, gefüllt mit einer konzentrierten wässrigen Lösung von CaCl₂, CaBr₂ oder NaH₂PO₄, wegen der besseren Transmission und photochemischen Stabilität dieser Flüssigkeit im UVB- und UVA-Bereich.
Die THV (3M) und die Teflon® FEP Schläuche können zur Verbesserung der Transmission und zur Erhöhung der optischen Apertur auf ihrer Innenoberfläche mit einer dünnen Schicht aus einem amorphen Fluorpolymer wie Teflon® AF oder Hyflon® AD ausgekleidet sein.

Daneben ist es aber auch möglich, für die Strahlführung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsanordnung statt Flüssigkeitslichtleitern auch die konventionellen biegsamen Lichtleiter in Form von Quarzglasfaserbündeln, Glasfaserbündeln oder Bündeln aus lichtleitenden Plastikfasern zu benützen. Diese Lichtleiter haben zwar nicht die hohe optische Transmission im UV- und Blau-Bereich wie Flüssigkeitslichtleiter, sind aber dafür flexibler. Tabelle 1

Vergleich: 3 Osram-HG-Lampen mit jeweils 4 Flüssigkeitslichtleitern Output (Watt)
Spektrum:	Weiß: kein Filter				UVA + Blau				Blau				UVA

∅_i Flüssigkeitslichtleiter	Ø2	Ø3	Ø5	Ø8	Ø2	Ø3	Ø5	Ø8	Ø2	Ø3	Ø5	∅8	∅2	Ø3	Ø5	Ø8
VIP 120 Watt-Lampe in Elliptoidreflektor korrigiert auf 100 W nominal	1,8	4,3	9,7	13,0	1,2	2,8	6,7	9,2	0,52	1,55	3,7	5,3	0,42	1,15	2,5	3,5
	1,5	3,6	8,1	10,8	1,0	2,3	5,6	7,7	0,43	1,3	3,1	4,4	0,35	0,96	2,1	2,9
HBO 100 W in Elliptoidreflektor	1,05	2,4	4,8	7,0	0,73	1,65	3,4	4,4	0,32	0,65	1,38	1,9	0,35	0,82	1,65	2,1
200 W HBO DC, mit Quarz-Kondensor und Alurückspiegel	1,2	3,5	7,4	9,0	0,61	1,85	4,1	4,8	0,31	0,9	2,0	2,35	0,27	0,82	1,75	2,0

Claims

Beleuchtungsanordnung zum Polymerisieren im Dentalbereich und für industrielle Zwecke, umfassend den Wellenlängenbereich UVB, UVA und Blau bis etwa 500 nm, enthaltend: eine wechselstrombetriebene Hg-Dampfentladungslampe (1), einen Reflektor (2) und einen biegsamen Lichtleiter (6), dadurch gekennzeichnet, dass die Hg-Dampfentladungslampe (1) einen Betriebsdruck von über 100, vorzugsweise bis etwa 200 bar aufweist und der Reflektor (2) ein selektiv reflektierender Elliptoidreflektor ist, der im Wellenlängenbereich von kleiner als etwa 500 nm einen hohen Reflexionsanteil und im Wellenlängenbereich von größer als etwa 500 nm einen geringen Reflexionsanteil aufweist.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflexionsanteil im Wellenlängenbereich von kleiner als etwa 500 nm 80% beträgt und im Wellenlängenbereich von größer als etwa 600 nm nicht größer als 20% ist.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der selektiv reflektierende Elliptoidreflektor (2) im Wellenlängenbereich von ≥ 300 bis 500 nm einen hohen Reflexionsanteil von über 70% und im Wellenlängenbereich von über etwa 600 nm einen niedrigen Reflexionsanteil unter 20% aufweist.
Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hg-Dampfentladungslampe (1) eine elektrische Aufnahmeleistung im Bereich von 50 bis 300 Watt, vorzugsweise aber von 100-200 Watt aufweist.
Beleuchtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenabstand der Lampe (1) etwa 0,8-2 mm beträgt, der Lampenkolben im wesentlichen Quecksilber und noch ein Edelgas enthält, die Lampe (1) bei einem Betriebsdruck von etwa 200 bar eine Farbtemperatur von etwa 8500°K entwickelt und die Lampe (1) mit Wechselspannung betrieben wird im Frequenzbereich von 70 bis 300 Hz und eine Leistung von unter 200 Watt aufweist, wobei die Stromstärke im Bereich von 4 Ampere oder darunter, vorzugsweise unter 2 Ampere liegt.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (6) ein Flüssigkeitslichtleiter ist und einen Schlauch aufweist, der ein erstes Fluorpolymer enthält oder daraus besteht, welcher auf seiner Innenseite mit einem zweiten plastischen Fluorpolymer beschichtet ist, welches einen Brechungsindex von unter 1,33 aufweist, und dass der Schlauch innen eine wässrige Salzlösung oder eine Mischung aus Glykol und Wasser als lichtleitende Flüssigkeit enthält.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite plastische Fluorpolymer aus einem perfluorierten, amorphen Fluorpolymer besteht oder ein solches enthält.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Salzlösung CaCl₂ oder CaBr₂ oder NaH₂PO₄ enthält.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtleitende Flüssigkeit eine Mischung aus Triäthylenglykol und Wasser enthält.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichteintrittsfenster des Flüssigkeitslichtleiters (6) an der Lichteintrittsfläche (4) mit einem dielektrischen Dünnschichtfilter (5) bedampft ist, dessen Transmission im Wellenlängenbereich von 380 bis 500 nm für dentale Anwendungen bzw. im Wellenlängenbereich von 280 bis 500 nm für Industrieanwendungen hoch ist.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtleiter (6) ein Quarzglasfaserbündel-Lichtleiter oder ein Glasfaserbündel-Lichtleiter oder ein Lichtleiter (6) bestehend aus einem Bündel von Plastikfasern ist.
Verwendung der Beleuchtungsanordnung im Wellenlängenbereich von 350 bis 500 nm, insbesondere 400 bis 500 nm, nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Aushärten von dentalen Füllungsmaterialien.
Verwendung der Beleuchtungsanordnung im Wellenlängenbereich von 350 bis 500 nm, insbesondere 400 bis 500 nm, nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Ausbleichen der Zähne im Smile-Bereich.
Verwendung der Beleuchtungsanordnung im Wellenlängenbereich von 280 bis 400 nm oder 280 bis 500 nm oder 400 bis 500 nm nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Aushärten von Industrie-Klebstoffen.