DE2156102A1

DE2156102A1 - Lichtquelle fuer faseroptik

Info

Publication number: DE2156102A1
Application number: DE2156102A
Authority: DE
Inventors: James G Helmuth
Original assignee: CHADWICK ELECT Inc H
Current assignee: CHADWICK ELECT Inc H
Priority date: 1971-08-19
Filing date: 1971-11-11
Publication date: 1973-03-01
Also published as: FR2149709A5; US3770338A

Description

DIPL.-ΙΝΘ. DR. IUR. DIPL-ING. VOLKER BUSSE DIETRICH BUSSE

45 OSNABRÜCK _f den 10. NOV. 1971 MOSERSTRASSE 2O/24 VB/Fi

CHADWICK-HELMUTH ELECTRONICS INC. Ill E. Railroad Avenue, Monrovia, California, USA

Lichtquelle für Faseroptik

Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Lichtquellen und betrifft insbesondere eine Lichtquelle sehr hoher Lichtbündel- und übertragungsleistung.

Es ist häufig erwünscht, Licht von einer Quelle über sog. Lichtstränge, z. B. Glasfasern, die flexibel sind und das Licht bei dessen Übertragung "biegen" können, zu einem entfernten beleuchteten Objekt zu übertragen. Es hat sich gezeigt, daß bei einem Anschließen der Lichtquelle (z. B. eines Lichtbogens) an das Lichtstrangbündel unerwünscht hohe LichtVerluste auftreten. Bisherige Bemühungen zur Überwindung des Problems von Lichtverlust durch Weiterleiten des Lichtes waren aus verschiedenen Gründen nicht voll zufriedenstellend. So verhindern beispielsweise die optische Unvollkommenheit der Lichtquellenhülle und die erforderlichen Linsen großer Öffnung und kurzer Brennweite

30980 9/0679 -

eine optimale Lichtbundelung durch das Bildwiedergabesystem. Besonders bei den für die vorgesehenen Anwendungsgebiete erforderlichen hohen Helligkeitsgraden verkürzen außerdem das Nachdunkeln der Hülle aufgrund von Elektrodenabnutzung und Niederschlagen von Elektrodenmetall arider. Innenwand der Hülle die effektive Lebensdauer der Lichtquelle.

Hauptaufgabe der Erfindung ist es, die oben erwähnten Probleme abzustellen bzw. zu verringern, wobei die Lösung einen ungewöhnlichen Vorteil aus der Tatsache zieht, daß Lichtintensität bzw. Helligkeit im umgekehrten quadratischen Verhältnis zu der Entfernung zu einer kleinen Quelle schwankt.

Die vorliegende Erfindung sieht eine Lichtquelle vor, bestehend aus einer Hülle und einer Einrichtung mit einem Elektrodensystem zum Erzeugen von Licht an einer Zone innerhalb der Hülle, wobei Elektrodenmetall in dieser Zone verdampft, und ist gekennzeichnet durch ein oder mehrere Lichtleitstäbe, die innerhalb der Hülle mit ihrem Ende der Zone in ausreichender Nähe zugewandt sind, um das Niederschlagen von verdampftem. Metall auf dem Ende zu verhindern.

Wie nachstehend noch näher ersichtlich, kann die Einrichtung zum •Erzeugen von Licht im Abstand zueinander angeordnete Metallelektroden aufweisen, zwischen denen in der Zone ein Lichtbogen erzeugt wird. Dabei können der bzw. die Leitstäbe und die Hülle aus einem Stück gebildet sein und aus Glas bestehen, wobei der bzw. die Stäbe genügend nahe der Lichtbogenzone in das Innere der

309809/0679 _OR,_{alNAL 1NaPE0TH})

Hülle hineinragen, um vom Niederschlag verdampften Elektrodenmetalls im wesentlichen freizubleiben. In dieser Hinsicht wurde festgestellt, daß dann, wenn das Ende des bzw. der Glasstäbe zu weit von der Lichtbogenzone entfernt ist, durch den Lichtbogen verursachter Niederschlag aus verdampftem Metall auf dem Stabende das angestrebte Ziel, Lichtübertragung von dem Lichtbogen zu dem Lichtquellenäußeren und beispielsweise zu einem Licht strang zu steigern, zunichte macht. Es hat sich weiter gezeigt, daß das Glasstabende zum Schmelzen neigt, wenn es zu dicht an dem Lichtbogen angeordnet wird. Dieser Effekt vergrößert den Abstand zwischen dem Lichtbogen und dem Stabende, bis kein Schmelzen mehr erfolgt. Dadurch wird ein Ausgleich bzw. Gleichgewicht bei günstigster Entfernung und ohne Niederschlag auf dem Stab erreicht.

Mehrere^Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; in dieser zeigen:

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine erfindungsgemäße Lichtquelle,

Pig. 2 einen Schnitt nach Linie 2-2 in Pig. I, Fig. 2a ' eine Teilansicht einer Abwandlung, Fig. 3 einen Schnitt nach Linie 3-3 in Fig. 1,

•Fig. 4 einen der Fig. 3 entsprechenden Schnitt einer abgewandelten Ausführung,

Fig. 5 eine Darstellung einer Anwendungsmöglichkeit der Lichtquelle,

Fig. 6 einen Schnitt nach Linie 6-6 in Fig. 5 in vergrößer-

- -' ,1' T S i

Q 309809/0679

tem Maßstab,
Fig. 7 eine Darstellung einer anderen Anwendungsmöglich

keit der Lichtquelle und Fig. 8 ein Spannungsdiagramm.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellte Lichtquelle 10 umfaßt eine Hülle 11, eine Einrichtung zum Erzeugen von Licht an einer innerhalb der Hülle liegenden Zone 12 und ein oder mehrere Lichtleitstäbe, die mit ihren Enden innerhalb der Hülle 11 der Zone 12 zugewandt sind. Die Einrichtung zum Erzeugen von Licht kann beispielsweise aus im Abstand zueinander angeordneten Metallelektroden 13 und 14 bestehen, denen von einer Quelle 15 elektrischer Strom zugeführt werden kann, z. B. über Leitungen 16 und 17. Die Elektroden können beispielsweise aus Wolfram bestehen. Dabei kann die Elektrode 13 ein abgerundetes Ende 13a und die Elektrode 14 ein spitz zulaufendes Ende l^a aufweisen. Das in der Zone 12 erzeugte Licht kann in typischer Weise aus einem gleichmäßigen Lichtbogen 17, dessen am stärksten leuchtender Bereich dem Ende 14a näher als dem Ende 13a ist, und/oder einem kurzen Hochleistung Blitzlichtbogen bestehen, der über die gesamte Zone 12 etwa gleichmäßig hell ist.

Die erwähnten Lichtleitstäbe können die bei 18 dargestellte Form haben und in das Hülleninnere 19 vorstehen, um mit ihrem Ende bei 18a dem hellsten Bereich des Lichtbogens 17 zugewandt zu sein, alles zu dem Zweck,, ein Höchstmaß an in das Stabende eintretendem Licht zu sammeln oder aufzunehmen, um es aus der Hülle heraus mit einem geringstmöglichen Verlust an Helligkeit weiterzuleiten.

3098D9/0679

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung betrifft die Freihaltung des Stabendes 18a von verdampftem Elektrodenmetall-Niederschlag. Zu diesem Zweck kann der Stab 18 (wie auch die Hülle 11) aus Glas, z.B. aus sog. Quarzglas, bestehen und zum Lichtbogen hin genügend nahe vorstehen, um diesen Zustand sicherzustellen. Der Grad dieser Annäherung ist abhängig von der Ausführung der Lichtquelle sowie von der maximalen Intensität, Temperatur und Dauer des Lichtbogens. Es wurde auch herausgefunden, daß dann, wenn das Stabende 18a zu weit von dem Lichtbogen entfernt ist, es nicht frei von derartigem Niederschlag bleibt, wogegen es bei zu dichter Lage an dem Lichtbogen infolge von durch die Lichtbogentemperatur erzeugtem Schmelzen eine Abtragung erleidet. In diesem Zusammenhang hat sich ferner herausgestellt, daß der letztgenannte Zustand gemildert wird (so daß sich das Stabende l8a bis dicht an den Lichtbogen erstrecken kann), indem die Quelle 15 derart betätigt wird, daß der Lichtbogen pulsiert. So wurde, wie lediglich zu Erlauterungszwecken erwähnt, die in einem Beispiel den Elektroden zugeführte Spannung zwischen 300 und 500 Volt variiert, wobei der Lichtbogen-Arbeitszyklus eine EIN-Zeitspanne von einer Mikrosekunde bis zehn Millisekunden und eine AUS-Zeitspanne von nur einer Millisekunde umfaßte.

Für viele Zwecke ist es erwünscht, das gesammelte bzw. aufgefangene Licht in einem Mehrfach-Lichtstrang zu übertragen, wie z.B. bei 20 in einem Kabel 21 dargestellt, das zu einer Anwendungs- bzw. Benutzungsvorrichtung 22 führt. Zu diesem Zweck kann das Ende des Kabels 21 und der Lichtstränge, wie aus Fig. 1 und ersichtlich, an dem äußeren Ende 23 des Stabes 18 außerhalb der

309809/0679

Hülle festgehalten werden, wobei eine geeignete Kupplungs- bzw. Verbindungshülse 2h die Verbindungsstelle umgibt. Dabei kann der Stab 18, wie dargestellt, mit der Hülle 11 aus einem Stück bestehen, so daß zwischen den beiden keine besondere Abdichtung erforderlich ist. Außerdem kann das Innere 19 der Hülle zur gewünschten Lichtbogenerzeugung in geeigneter Weise unter Druck gesetzt sein mit einem ausgewählten Gas. So kann beispielsweise das Innere 19 der Hülle Xenon bei etwa zehn Atmosphä-ren Druck enthalten.

Bei der Ausführung nach Fig. h ragen zwei jeweils dem Stab 18 in Fig. 1 entsprechende Lichtleitstäbe 30 und 31 in das Innere 32 der Hülle 33 hinein. Die Stäbe sind zum gesteigerten Sammeln von Licht im winkligen Abr.tand zueinander um die Achse der Hülle oder RÖhre angeordnet., wobei eine Lichtbogenzone 3¹* dicht an den inneren Enden der Stäbe liegt. Zum Zurückwerfen von entweichendem Licht zu den inneren Enden der Stäbe 30 und 31 und maximaler LichtÜbertragung zu einem oder mehreren, nicht dargestellten Benutzungsgeräten, kann ein Rundspiegel, wie z. B. bei 35 dargestellt, Anwendung finden.

Ein Beispiel eines Benutzungsgerätes ist in Fig. 5 und 6 in der Form eines Endoskops 36 dargestellt, wie es in der chirurgischen oder medizinischen Technik zum Untersuchen von Körperhöhlen Anwendung findet. Das Endoskop 36 umfaßt einen langgestreckten Sondenkörper 3⁷ mit einem Innenrohr 38, das Bildoptiken enthält, durch die der Benutzer ein angeleuchtetes Objekt an dem Ende 39 der Sonde von dem äußeren Ende 40 her betrachten oder photogra-

3 0 9 80 9/0679

phieren kann. Dabei erstreckt sich das Rohr 38 über die gesamte Länge des Instrumentes. Das Beleuchten kann beispielsweise über ein Bündel 4l von Lichtsträngen 4la bewirkt werden, die um das Rohr 38 herum gebündelt sind und sich in dessen Längsrichtung erstrecken. Die Stränge 41a können sich in einem Kabel bei 42 zu einer Lichtquelle entsprechend Fig. 1 erstrecken; dabei entspricht das Kabel 42 dem Kabel 21 in Pig. I.

Wie bei 44 und 45 in Fig. 7 dargestellt, können zwei oder mehr Lichtstrangkabel Verwendung finden, um Licht (wie bei 30 und 31 in Fig. 4) von Doppel-Lichtübertragungsstäben zu einem wie in Fig. 7 angedeuteten Endoskop 46 zu übertragen, wodurch ein noch stärkeres Beleuchten des zu untersuchenden Objekts erreicht werden kann. Dabei können sich die Lichtstränge in jedem Kabel in der in'Fig. 6 angedeuteten Weise entlang der Sonde 37 erstrecken.

Wenngleich sich die vorstehenden Ausführungen auf die Verwendung der Lichtquelle bei Endoskopen beziehen, versteht es sich, daß auch andere medizinische und nichtmedizinische Anwendungen der Lichtquelle in Betracht kommen, wie dies aus Fig. 1 ersichtlich ist.

Um auf Fig. 1 noch einmal zurückzukommen, so kann die dort dargestellte Energiequelle 15 betätigt werden zum Erzeugen eines solchen Lichtbogens 17, daß ein Abschmelzen des Stabendes 18a solange bewirkt wirdi bis es nicht mehr weiter schmilzt, jedoch eine genügend hohe Temperatur beibehält, um ungewünschten Elektrodenmetall-Niederschlag an dem Ende zu verhindern.

309809/0679

Die Fig. 8 zeigt einen gleichmäßigen Gleichstrom-Spannungspegel 50 an den Elektroden 13 und I¹I nach Fig. 1, um einen Lichtbogen zu erzeugen, von dem Licht gleichmäßig über den Stab 18 zu dem Benutzungsgerät 22 übertragen wird. Zuweilen kann die Spannung, wie bei 51 angedeutet, stark erhöht werden, um einen kurzzeitigen Lichtbogen größerer Intensität zu erzeugen. Diese Arbeitsweise ist z. B. in Verbindung mit abwechselndem Betrachten und Aufzeichnen des von einem beleuchteten Objekt 53 durch das Endoskoprohr 38 zu dem äußeren Ende ^O zurückgeworfenen Lichts von besonderem Nutzen. Ein in Fig. 5 dargestelltes Betrachtungs- und Aufzeichnungsgerät 5¹J ist so angeordnet, daß es das zurückgeworfene Licht aufnimmt und eine Bahn 55, 56 und 57 für zu dem Auge 58 des Betrachters übertragenes Licht geringerer Helligkeit und eine Bahn 55, 59 und 60 für ein zu einer Aufzeichnungseinrichtung 61, z. B. einem Film, Übertragenes Blitzlicht mit hohem Helligkeitsgrad entsprechend der Spannungsspitze 51 umfaßt. Eine optische Einrichtung 62 kann das Umschalten des Lichtes zwischen der Bahn 56 und 57 ^{und de}*" Bahn 59 und 60 bewirken. Die Energiequelle 15 gemäß Fig. 1 ist, wie bei 63 und 6*4 dargestellt, steuerbar, um die Gleichstromspannung 50 entsprechend Fig. 8 und die Wiederholungsfrequenz der Impulse 51 zu variieren, wobei letztere außerdem durch die Steuerung 6*4 ausgeschaltet werden können. Die Steuerung 63 kann die Gleichstromspannung herabsetzen, •so daß die Impulse 51 für sich allein zum Erzeugen des Lichtbogens ausreichen.

Ein anderes Beispiel eines Anwendungsgerätes 22, mit dem zusammen die Lichtquelle 10 eine ungewöhnlich vorteilhafte Kombination bil-

309809/0679

det, ist ein Mikroskop. Dabei kann beispielsweise das Kabel 21 erweitert sein und am Kabelende eine Probenauflage zum direkten und starken Beleuchten der Probe bilden, oder das Kabelende kann in einem Bereich an die Probe dicht herangeführt sein, z. B. an eine geeignete Hilfsauflage bzw. Hilfsträger. In Fig. 2a ist der Stab 18 bei 18b zur direkten übertragung von Licht zum Anwendungsgerät 22a verlängert, wodurch das Lichtstrangbündel entfällt.

309809/0679

Claims

Patentansprüche:

Lichtquelle, bestehend aus einer Hülle und einer Einrichtung mit einem Elektrodensystem zum Erzeugen von Licht an einer Zone innerhalb der Hülle, wobei Elektrodenmetall in dieser Zone verdampft, gekennzeichnet durch einen oder mehrere Lichtleitstäbe (18; 30, 3D, die innerhalb der Hülle mit ihrem Ende der Zone in ausreichender Nähe zugewandt sind, um das Niederschlagen von verdampftem Metall auf dem Ende zu verhindern,
2. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Elektrodensystem im Abstand zueinander angeordnete Elektroden (13 und 14) aufweist, zwischen denen in der Zone ein Lichtbogen (17) erzeugt wird.
3. Lichtquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen von Licht eine gleichmäßige Energiequelle (15) aufweist, die zum Erzeugen von gleichmäßigem Licht mit zumindest einer der Elektroden verbunden ist.
4. Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Lichtleitstäbe (18; 30,31) und die Hülle (11) aus einem Stück gebildet sind und aus· Glas bestehen. .
5. Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Lichtleitstäbe (18; 30,31)

309809/0679

- li - '

aus Glas bestehen.
6. Lichtquelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Lichtstrang (20, 21) mit einem Lichteintrittsende, das zum Aufnehmen von Licht mit dem Stab (18) in Wirkverbindung steht.
7. Lichtquelle nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß

der Lichtstrang (20, 21) ein Lichtstrangbündel (20) mit einem außerhalb der Hülle (11) angeordneten Lichteintrittsende aufweist.
8. Lichtquelle nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch ein Endoskop (37) mit einem langgestreckten, engen Kanal zum Zurückwerfen von Licht, entlang dem gebündelt übertragenes Licht zum Beleuchten eines Objektes geleitet wird, von dem das zurückgeworfene Licht herkommt.
9. Lichtquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bündel einen entgegengesetzten Endbereich aufweist, der sich entlang dem Sichtkanal des Endoskops vorerstreckt.
10. Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei innerhalb der Hülle angeordnete getrennte Lichtleitstäbe (30, 31) vorgesehen sind.
11. Lichtquelle nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (30, 3D der Zone zugewandte Enden aufweisen und ein

309809/0679

Spiegel (35) zum Zurückwerfen von Licht aus der Zone zu den Stabenden vorgesehen ist.
12. Lichtquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen von Licht eine mit zumindest einer der Elektroden verbundene Energieimpulsquelle aufweist.
13. Lichtquelle nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Mikroskop mit einem Probenbereich und einem Lichtleiter, der zur Aufnahme von Licht an den bzw. die Stäbe angeschlossen ist und sich zur unmittelbaren Projektion des Lichts auf den Probenbereich zu diesem erstreckt.
14. Lichtquelle nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine im Lichtreflektionsverhältnls an das Endoskop angeschlossene Einrichtung zum Aufzeichnen des zurückgeworfenen Lichtes.
15. Lichtquelle nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,

daß die Lichtreflektionseinrichtung auch eine Sichtbahn für zurückgeworfenes Licht aufweist.
16. Lichtquelle nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen von Licht eine mit zumindest einer der Elektroden verbundene Energieimpulsquelle aufweist.
17. Verfahren zum Übertragen von Licht von einer Lichtquelle bestehend aus einer Hülle, einer Einrichtung mit einem Elektrodensystem zum Erzeugen von Licht in einer Zone innerhalb der Hülle

3 0 9809/0679

215R1D2

wobei in dieser Zone Elektrodenmetall verdampft, und einem oder mehreren Stäben zum Weiterleiten von Licht von deren Ende her, gekennzeichnet durch Betätigen der ersten Einrichtung zum Erzeugen von Licht in der Zone sowie innerhalb der Hülle erfolgendes übertragen des erzeugten Lichtes auf das bzw. die ausreichend nahe der Zone befindlichen Stabenden zum Verhindern des Niederschlagens von verdampftem Metall an diesen Enden.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsstufe das Erzeugen eines Lichtbogens genügend, hoher Temperatur in der Zone umfaßt, um den bzw. die Stäbe an ihrem dem Lichtbogen zunächst liegenden Ende zu schmelzen und dadurch den bzw. die Stäbe soweit zu verkürzen, bis das Ende einen solchen. Abstand zu dem Lichtbogen bekommt, daß es auf einer unter dem Schmelzpunkt legenden Temperatur bleibt.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Einrichtung derart betätigt wird, daß sie ein einen Lichtbogen erzeugendes Licht mit einem ersten Intensitätsgrad und mit zusätzlichem intermittierenden Aufblitzen ausbildet.
20. Lichtquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen von Licht eine Energiequelle aufweist, die zum Zuführen einer Spannung von relativ gleichmäßigem Niveau sowie mit höheren Spannungsimpulsüberlagerungen mit zumindest einer der Elektroden verbunden 1st und so einen Lichtbogen von im wesentlichen gleichmäßigem Licht mit Intermittierenden Blitzüberlagerungen erzeugt.

309809/0679

Leerseite