DE2455333A1

DE2455333A1 - Beleuchtungsvorrichtung fuer faseroptische systeme

Info

Publication number: DE2455333A1
Application number: DE19742455333
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kriege
Original assignee: Jenaer Glaswerk Schott and Gen
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1974-11-22
Filing date: 1974-11-22
Publication date: 1976-08-12
Also published as: JPS5175457A; US4048486A; GB1522709A; FR2292248A1; FR2292248B3

Description

Dr. Joachim Rasper Patentanwalt

62 Wiesbaden Hwstadtw Hih· 22 Td. 5< 28 42

JENAer GLASWERK SCHOTT & GEN.

65QQ Mainz Hattenbergstr. 10

P Beleuchtungsvorrichtung für faseroptische Systeme

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beleuchtung des Lichteintrittsendes eines Lichtleiters aus mindestens zwei Lichtleitfasern durch zwei Lichtquellen, von denen jede einzeln oder beide gemeinsam das Eintrittsende des Lichtleiters beleuchten kann bzw. können.

609823/0401

Die Verwendung von faseroptischen Lichtleit- und Beleuchtungssystemen z.B. im medizinischen Bereich, im Signalwesen oder in der Optoe'lektronik hat sich inzwischen bewährt und neue Möglichkeiten geschaffen.

Die an sich sehr vorteilhafte Möglichkeit, durch Verwendung von Lichtleitern in verschiedenen optischen Systemen, eine oft erforderliche Vielzahl von Lichtquellen durch eine einzige zu ersetzen, stellt an eine solche zentrale Lichtquelle hohe Anforderungen an Störungssicherheit. So zuverlässig faseroptische Systeme an sich arbeiten, die Beleuchtung eines solchen .Systems durch eine einzige,, der Alterung durch die Betriebszeit unterworfene Lichtquelle, stellt einen oft nicht tolerierbaren Unsicherheitsfaktor dar.

Das Problem der Betriebssicherheit konnte bisher jedoch nicht zufriedenstellend gelöst werden. Im medizinischen Bereich sind Systeme bekainnt, bei denen ein Lampenausfall durch mechanisches Einschwenken einer neuen Lampe bzw. durch mechanische Verschiebung des Lichtleiters zur neuen Lampe hin behoben wird, während man sich im Signalbereich dahingehend hilft, daß man mit der doppelten Anzahl faseroptischer Systeme operiert.

Bereits in der konventionellen Optik war es nur unter erheblichem technischem Aufwand möglich, das von verschiedenen Lichtquellen ausgestrahlte Licht wahlweise oder gemeinsam in den gleichen Strahlengang zur Beleuchtung eines optischen

609823/0401

Systems zu führen. Doch selbst bei Inkaufnahme eines solchen
Aufwandes konnte keine identische Beleuchtungsverteilung durch die einzelnen Lichtquellen erreicht werden.

Es ist jedoch eine Anordnung der Strahlteilung bekannt, mit
der das Licht einer Lichtquelle mittels eines teilweise lichtdurchlässigen Spiegels in zwei unter einem Winkel zueinander
liegende Lichtströme aufgeteilt werden kann. Unter gewissen Bedingungen läßt sich mit einer derartigen Anordnung der Lichtstrom einer Lampe auch in zwei gleiche Teilströme aufteilen.
Ein solcher Strahlteiler bietet die räumlichen Voraussetzungen dafür, eine zweite Lichtquelle so anzuordnen, daß sich der von ihr ausgesandte Lichtstrom ebenfalls in zwei gleiche Teilströme aufteilen läßt, die sich mit den Teilströmen der ersten Lichtquelle genau überlagern lassen.

In der herkömmlichen Optik waren jedoch zwei solcherart aufgeteilte, in zwei verschiedenen Richtungen austretende Lichtströme zur Beleuchtung eines einzigen optischen Systems gleichermaßen unbrauchbar, da das Problem der Zusammenführung der Lichtströme das gleiche blieb wie bei der Verwendung zweier einzelner Lichtquellen.

Durch die Anwendung der Strahlteilung zur Beleuchtung eines
faseroptischen Systems läßt sich aber nun das eingangs geschilderte Problem auf einfache Weise lösen.

609823/Oire-l

Es ist zwar bekannt, das gemeinsame Lichteintrittsende eines mehrarmigen Lichtleiters in zwei Teilstränge aufzuteilen, um beispielsweise durch Vorschalten von verschiedenen Farbfiltern vor die Teilstränge die Darstellung von mehrfarbigen Signalen zu ermöglichen. Dies wurde jedoch meist mit dem Ziel ausgeführt, für die Beleuchtung dennoch eine einzelne Lichtquelle verwenden zu können.

Eine Anordnung, in der durch einen Strahlteiler das Licht einer Lichtquelle in zwei Teilströme aufgeteilt und in zwei nicht parallele Eingangsteilstränge eines Lichtleiters eingestrahlt wird, um nach Zusammenführen dieser Teilstränge wieder als gemeinsamer Lichtstrom weiterverwendet zu werden, blieb wahrscheinlich aus Gründen des sinnlosen Aufwandes unbeachtet. Übersehen wurde jedoch bisher dabei, daß eine solche Anordnung die Möglichkeit bietet, das Licht zweier Lichtquellen einzeln oder gemeinsam in den gleichen Strahlengang einzuleiten. Die Anwendung dieses Prinzips ist Grundlage der vorliegenden Erfindung, deren Ziel eine Beleuchtungsvorrichtung für ,faseroptische Systeme ist, welche nicht von der Unsicherheit einer einzigen Lichtquelle abhängig ist, und mit der es möglich ist, das Licht einer zweiten Lichtquelle in den gleichen Strahlengang einzuleiten, über den das faseroptische System von der ersten Lichtquelle beleuchtet wird.

Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch eine Beleuchtungsvorrichtung für faseroptische Systeme gelöst, die zwei Lichtquellen mit weitgehend gerichtetem Lichtstrom besitzt und die dadurch gekennzeichnet ist, daß die optischen Achsen der

609 8 23/04-Θ-1

Lichtströme beider Lichtquellen sich in einem Punkt schneiden und daß im Bereich, dieses Schnittpunktes in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen diesen optischen Achsen ein an sich bekannter beidseits belegter Strahlteiler-Spiegel angeordnet ist, durch welchen der einfallende Lichtstrom jeder der beiden Lichtquellen in zwei Teilströme aufgeteilt wird, die mit den Teilströmen der jeweils anderen Lichtquelle im wesentlichen deckungsgleich sind, so daß sowohl mit jeder der beiden Lichtquellen einzeln als auch mit beiden Lichtquellen gemeinsam zwei Eingänge eines faseroptischen Systems, die auf den Verlängerungen der optischen Achsen der Lichtquellen liegen, gleichzeitig beleuchtet werden können.

Es sind beidseitig belegte Strahlteiler der verschiedensten Ausführungen bekannt,· die sich in Bezug auf Menge und Wellenlänge des reflektierten und hindurchgelassenen Lichtes unterscheiden, wobei diese Eigenschaften noch zusätzlich vom Einfallswinkel des eingestrahlten Lichtes abhängig sein können. Je nach den gewünschten Beleuchtungseffekten lassen sich die durch die unterschiedlichen Strahlteller gebotenen Möglichkeiten in der erfindungsgemäßen Beleuehtungsvorrichtung ausnutzen. '

In den meisten Fällen wird es aber darauf ankommen, die beiden Eingänge des faseroptischen Systems wahlweise durch jede der beiden Lichtquellen jeweils mit gleicher Intensität beleuchten zu können. In diesem Falle ist ein Strahlteiler zu verwenden, der ohne Farbverschiebung gleiche Mengen des unter einem bestimmten Winkel einfallenden Lichtes reflektiert und hindurchläßt. Solche Strahlteiler werden meistens unter 45° zur Licht-

einstrahlungsrichtung angeordnet, jedoch sind Abweichungen ohne weiteres möglich, solange das Licht von beiden Seiten unter dem gleichen Winkel eintrifft und die Anordnung somit symmetrisch bleibt.

Eine derart ausgebildete erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung/ bei der im Normalfall der Betrieb einer Lichtquelle ausreicht, kann nun mit einer Steuerautomatik versehen werden, welche bei Ausfall der in Betrieb befindlichen Lichtquelle unverzüglich die andere Lichtquelle einschaltet, wodurch außer der kurzen Schaltunterbrechung eine Betriebsstörung vermieden wird und die Eingänge des faseroptischen Systems weiter mit gleicher Intensität beleuchtet werden, sofern die beiden Lichtquellen in ihrer,Leistung gleich sind. Ein optisches oder akustisches Störungssignal kann darauf aufmerksam machen, daß eine defekte Lampe auszuwechseln ist.

Neben dem auf diese Weise fast vollständig vermeidbaren Risiko eines Lampenausfalls bietet die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung aber noch weitere Vorteile.

Durch eine geeignete Schaltung, die z.B. von einem Helligkeitsmeßgerät angesteuert wird, läßt sich durch wahlweise und gemeinsame Einschaltung der Lichtquellen eine stufenweise Anpassung der Beleuchtungsstärke an die Umgebungshelligkeit durchführen, die besonders bei faseroptischen Signalanzeigern erwünscht sein kann. Drei linear unterteilte Helligkeitsschaltstufen lassen sich z.B. dann erreichen, wenn die Lichtleistungen der Lichtquellen im Verhältnis 1 : 2 ausgelegt sind.

609823/0401

Aber auch eine solche stufengesteuerte Ausführung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung kann gegen völligen Beleuchtungäausfall gesichert werden, wenn bei Ausfall einer Lichtquelle die Steuerschaltung automatisch so überbrückt wird, daß die zweite Lichtquelle eingeschaltet wird und in Betrieb bleibt.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird zur Beleuchtung des Eintrittsendes eines Lichtleiters, der aus mindestens zwei Einzelfasern bestehen muß, derart eingesetzt, daß der mehradrige Lichtleiter an seinem Eintrittsende in zwei gleiche Teilstränge aufgeteilt wird, von denen jeder durch einen der 'Teillichtströme der einen oder der anderen Lichtquelle beleuchtet wird. Bei gleicher Intensität der Lichtquellen und symmetrischer Strahlteilung ergibt sich für die beiden Teilstränge des Lichtleiters sowohl bei Beleuchtung durch die eine als auch die andere Lichtquelle bei entsprechender Anpassung des Querschnittes jedes Teillichtstromes an den entsprechend kleineren Querschnitt des Teilstranges des mehradrigen Lichtleiters die gleiche Beleuchtungsstärke der einzelnen Lichtleitfasern als wenn der zusammengefaßte, mehradrige Lichtleiter direkt von dem ungeteilten Lichtstrom einer der Lichtquellen beleuchtet würde. Dies ist eine Voraussetzung, wenn man einen mehradrigen Lichtleiter benötigt, bei dem die in den einzelnen Fasern transportierten Lichtmengen im wesentlichen gleich sind. Ist diese Voraussetzung erfüllt, ist es bei einfarbiger Beleuchtung belanglos, welche Lichtleitfasern des mehradrigen Leiters zu welchem der beiden Teilstränge am Eintrittsende führen.

609823/OA0 1

Soll jedoch beispielsweise in einen Teilstrang des mehradrigen Lichtleiters Licht unterschiedlicher Farbe eingestrahlt werden, was durch Vorschalten eines Farbfilters zu erreichen ist, so müssen die beiden Teilstränge selbstverständlich jeweils diejenigen Fasern umfassen, an deren Enden Licht der gleichen Farbe benötigt wird.

Sollen zwei getrennte Lichtleiter jeweils gleiche Lichtmengen an verschiedene Stellen leiten, so hat man bei bekannten Systemen einen durch eine einzige Lichtquelle beleuchteten, vieladrigen Lichtleiter in seinem weiteren Verlauf in zwei Teilstränge aufgeteilt, die zu den gewünschten Stellen geführt wurden. Da bei Verwendung der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung der Lichtleiter ohnehin an seinem Eintrittsende geteilt werden muß, ist in diesem speziellen Fall eine Zusammenführung der beiden Teilstränge entbehrlich. Sie können direkt zum Einsatzort geführt werden. Auch in diesem Fall bleibt der erfindungsgemäße Vorteil erhalten, daß bei Ausfall einer in Betrieb befindlichen Lichtquelle beide Lichtleiter mit gleicher Intensität durch Einschalten der anderen Lichtquelle in gleicher Weise weiter beleuchtet werden können.

Einige beispielhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung werden anhand der schematischen Darstellungen der Figuren 1 bis 4 im folgenden näher beschrieben.

609 823/

Es stellen dar:

Fig..1 ι Eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung;

Fig. 2 Eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung zur Beleuchtung eines an seinem Lichteintrxttsende in zwei Teilstränge aufgeteilten, vieladrigen Lichtleiters;

Fig. 3 Eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung zur gleichmäßigen Beleuchtung zweier Lichtleiter;

Fig. 4 Eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung zur Beleuchtung einer faseroptischen Ziffern-Signalanzeige mit mehrarmigen Lichtleiter.

Die schematische Darstellung im Fig. 1 zeigt eine obere Lichtquelle, bestehend aus einer Lampe 1 und einer Strahlbündelungsoptik 2 mit Hohlspiegel und Sammellinse. Entsprechend umfaßt eine untere Lichtquelle eine Lampe 1' und eine Strahlbündelungsoptik 2¹. Die optischen Achsen beider Lichtquellen bilden einen Winkel von 90° miteinander. Unter 45° zu den optischen Achsen der Lichtquellen ist ein Strahlteiler-Spiegel 3 so angeordnet, daß der Schnittpunkt der optischen Achsen in der Ebene des Strahlteilers 3 liegt. In der Verlängerung der optischen Achsen der Lichtquellen durch den Strahlteiler

609823/0401

hindurch befinden sich die Eintrittsenden 4 und 4¹ eines oder zweier mehradriger Lichtleiter. Diesen Eintrittsenden können zur wahlweisen Verwendung Farbfilter 7 und 7¹ vorge schaltet sein. Die Bezugsziffern 5 und 6 bezeichnen eine Steuerschaltung für die Lampen 1 und 1' bzw. einen Helligkeitsregler.

Durch eine Schraffur des Strahlenganges der Lampe 1 ist an gedeutet, daß diese Lampe eingeschaltet ist, während der gestrichelte Strahlengang andeutet, daß die Lampe 1^r sich nicht in Betrieb befindet.

Der durch die Optik 2 gerichtete Lichtstrom der Lampe 1 wird durch den Strahlteiler 3 in einen durch diesen hindurchtretenden im wesentlichen in gleicher Richtung weiter verlaufenden Teilstrom, welcher in den Lichtleiter 4¹ eintritt und in einen reflektierten Teilstrom aufgeteilt, welcher in den Lichtleiter 4 eintritt. Bei Betrieb der Lampe 1' würde auch deren Lichtstrom in zwei entsprechende Teilströme aufgeteilt, wobei sich an den Teilströmen nicht erkennen läßt, von welcher Lampe sie ausgehen. Durch Einschalten beider Lampen lassen sich die Teilströme ,so überlagern, daß auf jeden der beiden Lichtleiter-Eintritte 4 und 4* praktisch die gesamte Lichtmenge einer Lampe auftrifft, lediglich vermindert um die im Strahlteiler 3 auftretenden AbsorptionsVerluste.

609823/04 01

In der Anordnung nach Fig. 2 sind zwei Lichtquellen 8 und 8¹ angedeutet, die sich zur Lichtstrombündelung eines EllipsoidspiegeIs bedienen. Die durch den Strahlteiler 3 erzeugten gleichen Lichtteilströme treten in Eintrittsenden 9' und 9" eines zu diesem Zwecke aufgeteilten vieladrigen Lichtleiters 9 ein, dessen Einzelfasern aufgrund der erfindungsgemäßen Anordnung gleiche Lichtmengen transportieren, unabhängig davon, ob sie in das Eintrittsende 9¹ oder 9" münden und unabhängig davon, ob die Lichtquelle 8 oder die Lichtquelle 8¹ in Betrieb ist. Dabei überträgt der gesamte Lichtleiter 9 die volle Leistung einer eingeschalteten Lampe an den gewünschten Ort.

Fig. 3 zeigt eine Anordnung, die sich von derjenigen nach Fig. 2 nur dadurch unterscheidet, daß die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung, bestehend aus den Lichtquellen 8 und sowie aus dem Strahlteiler 3 zwei getrennte Lichtleiter 10 und 11 beleuchtet, welche nicht wieder zu einem Strang zusammengeführt werden, sondern deren Enden zur Beleuchtung von Objekten an zwei verschiedenen Stellen vorgesehen sind. Solche Vorrichtungen finden z.B. im medizinischen Bereich Verwendung.

In Fig. 4 ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Signalbereich gezeigt. Ein vielarmiger Lichtleiter ist an seinem Ende in eine Mehrzahl von Einzelsträngen 14 aufgeteilt, von denen jeder zu einem Rasterpunkt der Signaltafel 13 führt. Das Eingangsende des Lichtleiters ist zu zwei Teilsträngen 12 und 12' zusammengefaßt, die auf die erfindungsgemäße Art beleuchtet werden. An diesem Beispiel wird, besonders deutlich, daß trotz des geteilten Einganges gewährleistet sein muß, daß alle Fasern gleiche Lichtmengen transportieren, damit die einzelnen Rasterpunkte des abgebildeten Zeichens gleiche Helligkeit aufweisen. Trotz der zeichnerischen Darstellung, in der

609823/0401

die Einzelarme des Lichtleiters etwas ausexnandergezogen gezeigt sind, handelt es sich im Grunde um einen vielarmigen Lichtleiter/ der von jeweils einer Lichtquelle ausgeleuchtet wird. Auf diese Weise wird die Wiedergabe von verstümmelten Zeichen oder Ziffern vermieden.

Durch Vorschalten von Farbfiltern ist die Wiedergabe mehrfarbiger Zeichen möglich.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich im Bereich der Beleuchtungsköpfe für Lochkarten und Lichtschranken, bei denen die Lichtübertragung durch faseroptische Elemente erfolgt, sowie in allen Fällen, in denen Licht durch Faseroptik übertragen wird und ein hohes Sicherhextsbedürfnis besteht.

09 8 23/04-W

Claims

Patentansprüche;

f1. ^Beleuchtungsvorrichtung für faseroptische Systeme, be- " stehend aus zwei Lichtquellen mit einem weitgehend gerichteten Lichtstrom, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Achsen der Lichtströme beider Lichtquellen sich in einem Punkt schneiden und daß im Bereich dieses Schnittpunktes in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen diesen optischen Achsen ein an sich bekannter Strahlteiler-Spiegel angeordnet ist, durch welchen der einfallende Lichtstrom jeder der beiden Lichtquellen in zwei Teilströme aufgeteilt wird, die mit den Teilströmen der jeweils anderen Lichtquelle einen im wesentlichen deckungsgleichen Strahlengang besitzen, so daß sowohl mit jeder der beiden Lichtquellen einzeln als auch mit beiden Lichtquellen gemeinsam zwei Eingänge eines faseroptischen Systems gleichzeitig beleuchtet werden können, die auf den Verlängerungen der optischen Achsen der Lichtquellen liegen.
2. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler-Spiegel auf beiden Seiten unabhängig von der Lichtwellenlänge etwa gleiche Anteile des einfallenden Lichtstromes reflektiert und transmittiert, wodurch der einfallende Lichtstrom jeder der beiden Lichtquellen in zwei Teilströme gleicher Intensität und Farbe aufgeteilt wird.

609823/04 01
3. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Achsen der einfallenden Lichtströme beider Lichtquellen und die optischen Achsen der Teilströme jeder Lichtquelle einen Winkel von 90° miteinander bilden.
4. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer automatischen Steuerung versehen ist, durch die bei Ausfall der einen, in Betrieb befindlichen der beiden Lichtquellen die andere Lichtquelle eingeschaltet wird.
5. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese zwei Eingänge eines faseroptischen Systems die Enden zweier gleicher Teilstränge eines mehradrigen Lichtleiters sind.
6. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtquellen von gleicher Intensität sind.
7. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Lichtquellen von unterschiedlicher Intensität sind.

609823/04.01
8. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Intensitäten der Lichtquellen im Verhältnis 1 '■: 2 zueinander stehen.
9. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8,, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Helligkeitssteuerung versehen ist, durch welche zur stufenweisen Anpassung an die Umgebungshelligkeit wahlweise die eine und/oder die andere der beiden Lichtquellen eingeschaltet werden.
10. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Helligkeitssteuerung so ausgeführt ist, daß bei Ausfall einer der beiden Lichtquellen die andere eingeschaltet wird und/oder eingeschaltet bleibt.
11. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor den Eingängen des faseroptischen Systems Farbfilter angeordnet sind.
12. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Strahlteiler-Spiegel besitzt, der den einfallenden Lichtstrom jeder der beiden Lichtquellen in zwei nach Intensität ünd/oder Farbe unterschiedliche Teilströme aufteilt.

9823/0401