DE2448601A1 - Beleuchtungsvorrichtung - Google Patents

Description

DSETnICH LEWINSKY

H/.NZ-JOACHIM HUBER

REINtR PRIETSCH 11.10.1974

MÖNCHEN 21 8083-IV/He,

GOTTH AR D ST R. 81

CGR Alexandre, Romainville, Avenue Lenine 52 (Prankreich)

"Beleuchtungsvorrichtung"

Priorität vom 12. Oktober*1973 aus der französischen Patentanmeldung 73 36 610

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit mindestens einer Lichtquelle-und einer Prismenanordnung zur Bündelung auf ein Feld.

Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet derartiger Beleuchtungsvorrichtungen ist die Ausleuchtung oder Beleuchtung eines Operationsfeldes. Bekannte Beleuchtungsvorrichtungen sind rotationssymmetrisch zu einer Achse aufgebaut und das von der oder den Lichtquellen ausgesandte Licht wird durch eine Torus-Optik oder Ringoptik in etwa parallelen Strahlen auf die Prismenfläche gelenkt, die konzentrisch um die Achse in einer auf dieser Achse senkrecht stehenden Ebene angeordnet sind.

Eine solche bekannte Beleuchtungsvorrichtung ist in schenatischer Form in einem Axialschnitt In Fig. 1 dargestellt. Bei 1 befindet sich eine Lichtquelle, die soweit als aöglich punkt förmig ist und deren von einer Torus- oder Ringoptik 2 gebrochenes Licht (von den Strahlen und der Optik ist lediglich der linke Teil in der Figur wiedergegeben) als annähernd paralleles Bündel auf eine Platte 3 geworfen wird, die eine

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2 4 4 8 b Ü Ί

große Zahl von einen Kranz mit dem Mittelpunkt 0 bildenden Kreisprismen 4 trägt. Diese Prismen sind derart ausgerichtet, daß die von der Optik 2 ausgehenden Strahlen senkrecht auf eine der Prismenflächen auffallen. Der Scheitelwinkel der Prismen ist derart errechnet, daß durch Totalreflexion und anschließende Brechung beim Austritt aus der dritten Prismenfläche die einfallenden Strahlen in die gewünschte Richtung gelenkt werden. Der Scheitelwinkel der Prismen muß sich somit von einem Prisma zum anderen ändern, jedoch sind die Prismen in der Praxis in Gruppen aufgeteilt, die alle denselben Scheitelwinkel haben. Das von den Prismenringen reflektierte Lichtbündel wird somit auf das Operationsfeld 5 mit dem Mittelpunkt 0· gerichtet, dessen Breite durch den Winkel der Prismen eingestellt werden kann. In der Figur ist zwar nur eine einzige Lichtquelle 1 dargestellt, aber es können selbstverständlich mehrere Lichtquellen vorgesehen sein, von denen jede einem Kranz mehrerer konzentrischer Prismen zugeordnet 1st.

Diese bekannte Beleuchtungsvorrichtung vermag nicht zu befriedigen, da die Ausleuchtung des Operationsfeldes stark ungleichmäßig ist.

In Fig. 1 ist das Diagramm der Beleuchtungsstärke des Feldes in Abhängigkeit von der Entfernung von dem Mittelpunkt 0' wiedergegeben. Geht man davon aus, daß das Operationsfeld eine Beleuchtungsstärke von 50 000 Lux erfordert, so erkennt man, daß die Beleuchtungsstärke im Zentrum mit Leichtigkeit das Doppelte dieses Wert·«, nämlich 100 000 Lux erreicht. Es 1st so« gar Möglich, da* diese Beleuchtungsstärke In einem sehr kleinen Punkt, der durch 4as Im—ter nicht Mhr erfaftt «erden kann, noch erheblich größer ist. Diese Erscheinung ist verständlich: Die Kreisprismen reflektieren alle die Strahlen in Richtung auf den Mittelpunkt und dieser erhält insbesondere den gesamten, von einem bestimmten Prisma reflektierten Lichtstrom, wie dies durch die Bezugsziffer 6 in Fig. 1 angedeutet ist.

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ORIGINAL INSPECTED

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Wenn R der Radius eines Kreisprismas 7 mit dem Mittelpunkt O und r die Entfernung des Punktes 8 des Feldes, in dem der auf dieses Prisma auftreffende Lichtstrahl reflektiert wird, von dem Mittelpunkt-O¹ ist, so gilt allgemein, daß die Beleuchtungsstärke in Punkt 8 eine Funktion des Verhältnisses

— ist. Man erkennt, daß demnach im Mittelpunkt 0' diese Beleuchtungsstärke theoretisch unendlich sein müßte. Diese Ungleichmäßigkeit der Verteilung der Beleuchtungsstärke wirkt sich auch noch in einem abrupten Abfall der Beleuchtungsstärke außerhalb des Feldes aus. Bei einer Breite des Feldes EF von 70 mm ist in der doppelten Entfernung von dem Mittelpunkt O¹ bei G und H die Beleuchtungsstärke praktisch Null.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungsvorrichtung der einleitend angegebenen Art zu schaffen, die eine im wesentlichen gleichbleibende Beleuchtungsstärke über das Feld erzielen läßt.

Die Lösung dieser Aufgäbe ist in den Patentansprüchen angegeben, ν

Durch diese Lösung wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß das von einer Lichtquelle ausgehende Licht nicht mehr _f auf die Achse der Anordnung konzentriert wird, sondern einfach/ das Feld reflektiert wird, ohne anders konzentriert zu werden, als durch die'überlagerung der von den verschiedenen Prismensegmehten reflektierteh Llchtbühäel.

~in der Zeichnung' ist eirie'Be^eu'ciitüngsvori'ichtüng bekann-" ter Art'sowie" eine Beleuchtungs vor ricb^üng'hELcii der Erfindung anhand beispielsweise gewählter Ausführüngsformen schematisch vereinfacht veranschaulicht. Es zeigen:

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ORIGINAL INSPECTED

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine Beleuchtungsvorrichtung bekannter Art mit Kreisprismen,

Fig. 2 ein Diagramm der mit der Vorrichtung nach Fig. 1 erzielbaren Beleuchtungsstärke des Feldes,

Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 4 eine Aufsicht auf die Prismensegmente,

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Prismensektors zur Veranschaulichung des Strahlengangs,

Fig. 6 ein Diagramm der mit der Vorrichtung nach der Erfindung erzielbaren Beleuchtungsstärke auf dem Feld,

Fig. 7a, 7b und 7 c eine schematische Darstellung des Strahlenganges bei drei typischen AusfUhrungsformen der Vorrichtung nach der Erfindung.

Die Fig. 1 und 2 wurden bereits einleitend erläutert.

In Fig. 3 ist eine Vorrichtung nach der Erfindung schematisch im Axialschnitt dargestellt. Die Vorrichtung ist rotationssymmetrisch um Achse 0 0*. Ein glockenförmiges Gehäuse 11 hält eine transparente, plane Kreisplatte 12 mit dem Mittelpunkt 0, die beispielsweise aus Kunststoff bestehen kann und eine Prismenanordnung 13 hält. Oberhalb dieser Platte 12 sind eine oder mehrere Lichtquellen 14, 15 und 16 angeordnet, die gewöhnlich Jodlampen mit sehr kleiner .Fadenabmessung sind. Der von der oder den Lichtquellen ausgehende Lichtstrom wird durch ebensovJeLe Ringoptiken 17, 18, 19 auf die Prismen 13 gebündelt .

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Fig. J| zeigt eine Aufsicht auf die Prismenanordnung 13· Man erkennt, daß diese gerade sind und auf eine bestimmte Anzahl von Sektoren verteilt sind. Es sind hier zwölf solcher Sektoren dargestellt, jedoch ist ihre Zahl in Wirklichkeit höher. Die Prismensegmente jedes Sektors sind ao ausgerichtet, daß der von den Torusoptiken stammende Licht strom nor-*mal oder senkrecht auf ihre Fläche auffält. Die Lichstrahlen dringen in die Prismen ein, werden an der gegenüberliegenden Flätotalreflektiert und werden an der Austrittsfläche gebrochen. Die Ausrichtung und der Scheitelwinkel der Prismen ändern sich von einem Prisma zum nächsten derart, daß sie die Strahlen in die gewünschte Richtung reflektieren. In der Praxis liegen die Werte der Scheitelwinkel mehrerer aneinandergrenzender Prismen ausreichend nahe beieinander, um einer ganzen Prismengruppe denselben Scheitelwinkel geben zu können, was die Herstellung vereinfacht. Im linken Teil der Fig. 3 ist ein Strahlengang dargestellt. Die Winkel der Prismen sind dort derart errechnet, daß das von jeder Lichtquelle ausgehende Lichtbündel auf praktisch das gesamte Feld 21 mit dem Mittelpunkt O¹ reflektiert wird. Selbstverständlich können diese Winkel aber auch so errechnet sein, daß die Lichtbündel auf verschiedene, beispielsweise kleinere Flächen des Feldes mit teilweiser gegenseitiger überdeckung reflektiert werden.

Fig. 5 veranschaulicht den Strahlenverlauf genauer. Dabei wird angenommen, daß das Licht von einer einzigen, punktförmigen, in 0 liegenden Quelle kommt. Unter den wirklichen Gegebenheiten 1st die öffnung des von den Ringoptiken kommenden Lichtbündels gering und liegt in der Größenordnung von 5 Grad, was darauf zurückzuführen ist, daß die Lichtquellen nicht punktförmig sind; die Strahlenverläufe sind jedoch ähnlich. Dargestellt ist ein Prismensektor .AA¹ DD¹ der Fig. 4 in' perspektivischer Wiedergabe. Die Winkel der Prismen sind so errechnet, daß das Licht nahezu auf die gesamte Fläche des

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Feldes 21 reflektiert wird. Man erkennt, daß dem Umriß des Sektors AA¹ DD' auf dem Feld 21 etwa ein Trapez aa¹ dd^f entspricht. Betrachtet man ein einzelnes Prisma, dessen reflektierende Fläche BB¹ CC das Licht auf die Mitte des Feldes wirft, so sieht man, daß der Umriß dieser Fläche auf dem Feld ein Viereck bb' cc¹ ist und daß beispielsweise der in der Mitte der Kante BB¹ des Prismas liegende Punkt M das Licht auf den in der Mitte von bb' liegenden Punkt m wirft. Wenn man annimmt, daß sich der Punkt m in der Mitte 0^f des Feldes 21 befindet, sieht man, daß die Beleuchtung im Umkreis des Punktes m gleich der Beleuchtung über das gesamte Viereck bc bc¹ ist.

Wenn, ausgehend von derselben Annahme, daß der Punkt m sich in der Mitte O¹ befindet, die Prismen statt gerade zu sein, Kreisbogen mit dem Mittelpunkt 0 wären, so würden die auf derselben Kante M liegenden Punkte B und B^! beide auf den Punkt O¹ fokalisieren, während der Sektor AA» BB¹ unter der Annahme, daß er denselben Wert wie im Fall der geraden Prismen hätte, sich auf das Feld 21 im wesentlichen in zwei mit ihren Spitzen gegenüberliegenden Sektoren a'¹ O* a¹¹' und d" O¹ d'" mit einer öffnung entsprechend derjenigen des Sektors AA* DD* projizieren würde. In diesem letzteren Fall würde der gesamte von dem Prisma BB' CC reflektierte Lichtstrom auf einen in der Figur/schwarz ausgelegten Sektor konzentriert werden, der dieselbe öffnung hätte und dessen Radius der Breite des Prismas entspräche; der gesamte auf das Prisma in der Nähe der Kante BB¹ auffallende Lichtstrom würde sich im Punkt 0* konzentrieren, somit also in diesem Punkt eine theoretisch unendlich hohe Beleuchtungsstärke ergeben.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ergibt Jeder Sektor aus geraden Prismen aus dem Feld 21 eine viereckige Ausleuchtung analog zu dem Viereck aa¹ dd¹, jedoch um einen Winkel

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verschoben, der gleich der Öffnung des Sektors 1st. Diese Überlagerung verschiedener, winkelmäßig gegeneinander versetzter Vierecke verbessert noch die Homogenität der Beleuchtung.

Ein anderer Vorteil dieser Überlagerung der Beleuchtungsvierecke macht sich dann bemerkbar,wenn ein lichtundurchlässiges Hindernis das Feld abdeckt. Nimmt man an, daß dieses lichtundurchlässige Hindernis einen Prismensektor verdeckt, so wird im Falle der Kreisprismen die Beleuchtungsstärke des entsprechenden Sektors des Feldes um die Hälfte vermindert, während im Fall der geraden Prismen die Beleuchtungsstärke der gesamten Feldfläche um einen Bruchteil vermindert wird, der gleich dem Kehrwert der Zahl der Prismensektoren ist, da Jeder der Prismensektoren das gesamte Feld ausleuchtet.

Fig. 6 gibt, ähnlich der FIg 2, das Diagramm der Beleuchtungsstärke eines Feldes wieder, das mit einer Vorrichtung nach der Erfindung und nicht mit einer mit Kreispriemen versehenen Vorrichtung nach dem Stand der Technik ausgeleuchtet ist. Man erkennt, daß die Beleuchtungsstärke nahezu konstant über die gesamte Erstreckung des Feldes 1st, nämlich 45 000 Lux im Zentrum und *J0 000 Lux an den Rändern beträgt. Ein anderer Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung besteht darin, daß sich die Beleuchtung über die Ränder des Feldes hinaus fortsetzt. Die Steigung der die Beleuchtungsstärke wiedergebenden Kurve ist in den Punkten K und L der Fig. 6 geringer als in den Punkten E und F der Flg. 2. Dies bedeutet, daß die Beleuchtungsstärke In der unmittelbar außerhalb des Feldes liegenden Umgebung im Falle von geraden Prismen weniger rasch abfällt, als im Fall von kreisförmigen Prismen.

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Das Einsatzgeibiet der Beleuchtungsvorrichtung nach der Erfindung ist insbesondere die Beleuchtung von Operationsfeldern. In diesem Fall besteht das Problem nicht nur darin, eine Fläche so auszuleuchten, daß Schatten vermieden wird, sondern auch darin, einen Hohlraum und insbesondere dessen Wände auszuleuchten. Es ist daher anzustreben, daß die Lichtbündel auf das Feld mit der größtmöglichen Schiefe auftref-· fen.

die
Andererseits erfordert/Schiefe, mit der die Lichtbündel

auf die Fläche des Feldes auffallen, zur Erzielung der gewünschten Beleuchtungsstärke, daß die Vorrichtung in einer gegebenen Entfernung vom Feld angeordnet wird: Bei Entfernung aus dieser optimalen Stellung vergrößert sich die Fläche des Lichtfleckes zum Nachteil der Beleuchtungsstärke. Aus Gründen der bequemeren Benutzung ist man daher bestrebt, den Lichtbündeln die kleinstmögliche Schiefe zu geben, damit die Entfernung zwischen Vorrichtung und Feld unter Aufrechterhaltung einer hinreichenden Ausleuchtung veränderlich sein kann.

Diese beiden einander widersprechenden Bedingungen nötigen zu einem Kompromiß. Ein Vorteil der Vorrichtung nach der Erfindung, die eine Ausrichtung der Reflexion jedes Prismas in eine beliebige Richtung ermöglicht ohne zu einer ungleichmäßigen Verteilung in der Beleuchtung des Feldes zu führen, besteht darin, eine große Anzahl von Reflexionskonfigurationen zu ermöglichen.

Die Fig. 7 veranschaulichen drei typische Konfigurationen.

Fig. 7a gibt die Konfiguration der Fig. 3 nochmals wieder. Es sind hier drei Prismenanordnungen AB, BC, CD und die dazu symmetrischen Prismen A¹B¹, B!C, C¹D¹ wiedergegeben, die die

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drei Lichtbündel 17, 18 und 19 von drei nichtdargestellten Lichtquellen erhalten. Jedes Lichtbündel wird auf die Gesamtheit des Feldes XY reflektiert. Wenn das Feld XY sich von der Ebenerer Prismen 13 entfernt oder sich dieser Ebene nähert, vermindert bzw. vergrößert sich die Beleuchtungsstärke in dem Maße, wie die beleuchtete Fläche wächst bzw. abnimmt. Experimentell wurde gefunden, daß bis zu dem Niveau X_Q Y_

ei el

die Beleuchtungsstärke über die gesamte Fläche des Feldes hinreichend ist. Es existiert auch zwischen dem Feld XY und der Vorrichtung eine andere Grenze, für die die Beleuchtungsstärke ausreichend ist; eine Lage des Feldes oberhalb der Linie XY kann jedoch offensichtlich nicht benutzt werden, und zwar zufolge der Tatsache, daß die normal zur Ebene des Feldes an den Punkten X und Y verlaufenden Wände in diesem Fall theoretisch keinerlei Licht erhielten-, wie dies der Strahlenverlauf zeigt. Die Änderung der Entfernung zwischen dem Operationsfeld und der Vorrichtung ist daher begrenzt durch die Punkte 0* O¹'.*Der Kegelstumpf, in dem die Beleuchtungsstärke hinreichend ist, ist durch seinen schraffierten Schnitt XY X_Q Y„ wiedergegeben, wobei die obere Basis den Mittelpunkt O¹ und die untere Basis den Mittelpunkt 0^f' besitzen. Die im Inneren der Wände XX_Q und YY_Q lJsgenden Punkte erhalten

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folglich einen Lichtstrom von mindestens einem der Bündel 17, 18 oder 19. Die Linien XX₀ und YY_Q befinden sich auf den

et ix

Geraden B¹X und AY, die der Außenkante des am meisten divergenten Bündels entsprechen.

Es wurde jedoch angestrebt, die Entfernung O¹ O¹¹ zu vergrößern, um die Anwendung der Vorrichtung durch Verringerung der an die Genauigkeit ihrer Anbringung zu stellenden Forderungen zu erleichtern. In Fig. 7b ist ein Strahlengang wiedergegeben, bei dem die Bündel 18 und 19 weiterhin auf die Gesamtheit der Fläche XY reflektiert werden, wo jedoch das äußere Bündel 17 auf einen mittleren Teil X Y₁ des Feldes

- ίο -

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XY reflektiert wird. Man erkennt, daß aufgrund dieses Umstandes das nutzbare Volumen XY X_bY_b durch die Segmente XX_fe und YY_b begrenzt ist, die auf den Geraden c'XX_b und cYY_fe liegen und weniger divergent in bezug auf die Achse der Vorrichtung sind,als die Geraden B¹XX. und BYY„ der vorhergehenden Konfi-

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guration. Der Lichtstrom ist somit weniger divergent und man stellt fest, daß die Entfernung O¹O", in der die Beleuchtungsstärke der Fläche X_bY_b noch hinreichend ist, größer ist, als die Entfernung zwischen den Ebenen XY und XY der Pig. 7a.

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Die Konfiguration 7b ist für eine rasche Verwendung besser geeignet als die Konfiguration 7a, ergibt jedoch eine weniger starke Ausleuchtung der vertikalen Wände einer Cavität.

Fig. 7c gibt das Schema einer Konfiguration wieder, bei der die inneren Bündel 18 und 19 stets auf die Gesamtheit des Feldes XY reflektiert werden, wie im Fall der vorhergehenden Konfigurationen, wo jedoch das äußere Bündel 17 eine Kreuzung im Strahlengang besitzt und gewissermaßen umgekehrt auf das Feld XY gerichtet wird. Das bei A liegende Prisma reflektiert das Licht auf den Rand Y des Feldes, das j unmittelbar innen neben dem Prisma A liegende Prisma reflektiert das Licht in einen neben dem Punkt Y in Richtung auf den Rand X liegenden Punkt usw. für alle Prismen bis zu B, wo das Licht*nach X reflektiert wird.

Man erkennt, daß hier das nutzbare Volumen XYX Y wesentlieh stärker divergent ist als die vorhergehenden und daß die Entfernung O¹O" zwischen den Ebenen XY und X₁Y geringer ist. Umgekehrt wie bei der Konfiguration b erfordert die Konfiguration c eine genaue Aufstellung der Vorrichtung, ergibt jedoch eine wesentlich stärkere Ausleuchtung der vertikalen Wände.

Selbstverständlichexistiert eine große Zahl möglicher Konfigurationen und die drei vorstehend näher beschriebenen

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stellen lediglich Beispiele dar. Dies zeigt die Vorteile der Verwendung gerade Prismensegmente in der Vorrichtung, die eine Verteilung des Lichtes in der gewünschten Art auf die Peldflache erlaubt, ohne daß man die Fokalisierung des Lichtes auf den Mittelpunkt des Feldes in Rechnung stellen muß.

Bei der Beschreibung der vorstehenden Beispiele wurde davon ausgegangen, daß die Vorrichtung mit drei Lichtquellen ausgerüstet ist. Die Zahl der Lichtquellen kann aber selbstverständlich beliebig sein.

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Claims (4)

1. PATENTANWÄLTE 2U8601

   DIETRICH LEWINSKY

   HiEINZ-JOACHIMHUBER jts _{ΛΛ 1}

   REINER PRIETSCH " ** ' V"*

   MÜNCHEN 21 8083-

   GOTTHARDSTR. ü\
   CGR Alexandre

   Patentansprüche;

   ( Iy Beleuchtungsvorrichtung mit mindestens einer Lichtquelle und einer Prismenanordnung zur Bündelung auf ein Feld, dadurch gekennzeichnet, daß die Prismenanordnung (13) aus mehreren aneinandergesetzten Segmenten aus geraden

   Lichts Prismen besteht, derart, daß die Bündelung des/von der (den) Lichtquelle(n) (14, 15, 16) auf das auszuleuchtende Feld (21) durch überlagerung der von den Prismensegmenten reflektierten Lichtbündel erfolgt.
2. 2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Prismensegmente zu radialen Sektoren mit einer solchen öffnung zusammengefaßt sind, daß die von der (den) Lichtquelle(n) ausgehenden Strahlen auf das Feld unter Bildung eines Streifens reflektiert werden, dessen Breite annähernd gleich der Breite des Feldes 1st.
3. 3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheitelwinkel und die Ausrichtung jedes Prismas so gewählt sind, daß das Licht auf einen bestimmten Bereich des Feldes reflektiert wird.
4. 4. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die am äußeren Umfang der Vorrichtung befindlichen PrismenSegmente das Licht auf den äußeren Teil der gegenüberliegenden Seite des Feldes reflektieren.

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