DE2617095A1

DE2617095A1 - Optimum coupling of photoconductors - uses heat insensitive terminal for connection to high output thermal light sources

Info

Publication number: DE2617095A1
Application number: DE19762617095
Authority: DE
Inventors: Friedrich Dipl Phys Bodem
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-04-17
Filing date: 1976-04-17
Publication date: 1977-11-03

Abstract

The fact that the photoconductor coupling terminal is made of material insensitive to heat ensures that there is no heat to damage to the photoconductor through absorption of certain parts of the light source spectrum. This material filters out undesirable or harmful parts of the light source spectrum. The coupling terminal is integrated in the lamp body to reduce the spacing between terminal and radiant field.

Description

Verfahren zur optimalen Ankepplung von lichtleitern an thermische Lichtque @@@@ hoher Leistung Der erfindungsgemkäße Verfahren ermöglicht in vielen Fällen die beste nach physikalischen Besetzen mögliche Ausnutzung der von thermischer Lichtquellen (Glüb- oder Gasentladungslampen) abgestrahlten möglichen Leistung zur Einkopplung in Lichtleiter.Process for the optimal coupling of optical fibers to thermal Lichtque @@@@ high performance The method according to the invention enables many Cases the best possible utilization of the thermal one after physical occupation Light sources (incandescent or gas discharge lamps) emitted possible power Coupling in fiber optics.

Lichtl eiter, d. h flexible oder starre Strukturen, welche Licht strahlen einer Einkopplungsfläche zu einer oder mehreren Auskopplungsflächen führen. tIerden in zunehmendem Maße zu Beleuchtungs zwecken eingesetzt. Um eine optimale ausgangsseitige Ausbeute an optischer Strahlung zu erhalten, ist neben einer möglichst einen Lichtleiter-Übertragungsdämpfung eine optimale Ausnützung der von der Lichtquelle abgegebenen optischen Strahlung zur Einkopplung in den Lichtleiter erforderlich.Light guide, d. h flexible or rigid structures that emit light a coupling surface lead to one or more coupling-out surfaces. earth increasingly used for lighting purposes. To get an optimal output side Obtaining a yield of optical radiation is a fiber optic transmission loss as well as possible an optimal utilization of the optical radiation emitted by the light source required for coupling into the light guide.

Das Einkopplung verhalten von Lichtleitern kann nach Fig. 1 durch einen Aperturkegel AK beschrieben werden: Alle Lichtstrahlen, welche innerhalb des durch den Aperturkegel beschriebenen Winkelbereiches auf die Einkopplungsfläche EF des Lichtleiters treffen, werdcn im Lichtleiter durch sukzessive innere Totalreflexionen zur Auskopplungsfläche des Lichtleiters geführt.The coupling behavior of light guides can according to Fig. 1 by an aperture cone AK can be described: All light rays which are within the the angular range described by the aperture cone on the coupling surface EF of the light guide are made in the light guide by successive total internal reflections led to the coupling-out surface of the light guide.

Ist eine Lichtquelle mit einem bestimmten Leuchtreld LF (z.B. Ilolframfaden oder Wolframband, Entladungsbogen etc.) vorgegeben, dessen Flache so groß ist, d sie die Einkopplungsfläche EF des Lichtleiters nlindestens überdeckt, so wird nach bekannten physikalischen Gesetzen dann maximale optische Strahlung in den Lichtleiter engekoppelt, wenn nach Fig. 2 sowohl die Einkopplungsfläche EF des Lichtleiters LL als auch das Leuchtfeld LF der, Lichtquelle eine Basis des oben definierten Aperturkegels überdecken. Ist das Leuchtfeld LF der Llichtquelle kleiner als die Einkopplungsfläche EF des Lichtleiters , so müssen für eine optimale Einkopplung optischer Leistung nach Fig. 3 das Leuchtfeld LF und die Einkopplungsfläche EF von einer Basis des in der Richtung umgekehrten Aperturkegels AK überdeckt werden. Die beiden eben genannten Verfahren, welche naturgemäß einen relativ kleinen Abstand zwischen Leuchtfeld der Licltquelle und Einkoppungsfläche des Lichtleiters bedingen, werden im folgenden als direkte Ankoppl ungsverfahren bezeichnet.Is a light source with a certain luminous field LF (e.g. Ilolframfaden or tungsten tape, discharge arc, etc.) whose area is so large, d if it at least covers the coupling surface EF of the light guide, then according to known physical laws then maximum optical radiation into the light guide tightly coupled when, according to FIG. 2, both the coupling surface EF of the light guide LL as well as the luminous field LF of the light source a basis of the aperture cone defined above cover. If the light field LF of the light source is smaller than the coupling area EF of the light guide must be used for optimal coupling of optical power 3, the luminous field LF and the coupling surface EF from a base of the in the direction of the inverted aperture cone AK are covered. the two methods just mentioned, which naturally have a relatively small distance between the light field of the light source and the coupling surface of the light guide, are referred to below as the direct coupling method.

Bei den bekannten Ankopplungsverfahren von Lichtleitern an starke Liclotquellen wird die oben beschriebene Bedingung der optimalen Einkopplung dadurch zu erreichen versucilt, daß mit einer Optik das Leuchtfeld der Lichtquelle in geeigneter Weise in den Aperturkegel des Lichtleiters abgebildet wird. Dies ist den, oben beschri ebenen Verfahren der direkten Ankopplung dann äquivalent, wenn das optische System ein Bild des Leuchtfel des erzeugt, welches ebensoviel optische Leistung in den Aperturkegel des Lichtleiters innerhalb des zulässigen Winkelbereichs strahlt wie das Leuchtfeld unter den oben beschriebenen optimalen Bedingungen selbst. Dies wird aber, da optische Systeme stets verlustbehaftet sind, i der Praxis nicht erreicht. In Fällen, wo der konstruktive Aufbau der Lichtquelle das direkte Ankopplungsverfahren nicht zuläßt, ist aber dieses, im folgenden als indirektes Ankopplungsverfahren bezeicnnete Verfahren unumaänglich.With the known methods of coupling light guides to strong ones Liclot sources thereby become the condition of optimal coupling described above trying to achieve that with an optical system, the light field of the light source in a suitable Way is imaged in the aperture cone of the light guide. This is the one described above planar method of direct coupling is equivalent if the optical system an image of the light field which produces the same amount of optical power in the Aperture cone of the light guide within the permissible angular range radiates as the light field itself under the optimal conditions described above. This will however, since optical systems are always lossy, this is not achieved in practice. In cases where the structural design of the light source requires the direct coupling method does not allow, but is this, in the following as an indirect coupling process Described procedures are essential.

Beide Verfahren, insbesondere aber das direkte Ankopplungsverfahren, bringen das Problem mit sich, daß bei starken Lichtquellen der Lichtleiter erheblichen thermischen Belastungen durch die vom Lichtleitermaterial absorbierten spektralen Anteile der Strahlung der Lichtquelle ausgesetzt ist und dadurch zerstört werden Kann.Both methods, but especially the direct coupling method, bring with it the problem that with strong light sources the light guide is considerable thermal loads due to the spectral absorbed by the light guide material Part of the radiation from the light source is exposed and destroyed as a result Can.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Zerstörung wärmeempfindlicher Lichtleiter sowohl beim indirekten wie auch beim direkten Ankopplungsverfahren vermieden werden.With the method according to the invention, the destruction can be more sensitive to heat Light guides avoided in both the indirect and the direct coupling method will.

DasVerfahren besteht darin, daß der Teil des Lichtleiters, der den durch Strahlungsabsorption oder sonstigen wärmeübertragenden Effekten bedingten Belastungen bei der Ankopplung an Lichtquellen hoher Leistung ausgesetzt ist, aus einem wärmebeständigen Material mit - wenn notwendig -.geeigneten spektralen Filtereigenschaften zum Schutze des eigentlichen Lichtleiters ausgeführt wird.The method is that the part of the light guide which the caused by radiation absorption or other heat transferring effects Stresses when coupling to light sources of high power is exposed a heat-resistant material with - if necessary - suitable spectral filter properties is carried out to protect the actual light guide.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden beschrieben.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described below.

Fig. 4 zeigt im Längs- und Querschnitt schematisch die Ankopplung eines wärmeempfindlichen Kunststofflichtleiters an eine Quecksi'lberhöchstdrucklal5tpe mit einer Leistungsaufnahme von 1000 Watt.Fig. 4 shows the coupling schematically in longitudinal and cross-section a heat-sensitive plastic fiber optic cable to a high-pressure mercury tube with a power consumption of 1000 watts.

In einem innen verspiegelten Metall rohr R ist die zylindrische Lampe mit Bogen B (Leuchtfeld) und Quarzglasgehäuse.G zentriert.In an internally mirrored metal tube R is the cylindrical lamp with arch B (luminous field) and quartz glass case. G centered.

Der zylindrische ummantelte hochflexible Kunststofflichtleiter K wird mit einer Immersionsflüssigkeit I zur Herabsetzung der Fresnelverluste an einen zylindrischen polierten Glasstab GL, dessen Durchmesser gleich dem Durchmesser des Lichtleiterkerns ist, optisch angekoppelt. Das Quarzglasgehäuse G der Lampe und der Glasstab GL werden innerhalb des Rohres von einer optisch transparenten Kühlflussigkeit KF umspült, welche gleichzeitig als Immersionsflüssigkeit die Fresnelverluste an der Außenfläche des Quarzglasgehäuses G und an der Einkopplungsfläche des Glasstabes GL herabsetzt. Der Glasstab GL wirkt, da er innerhalb des Rohres R von der Kühl flüssigkeit KF mit einer im Vergleich zur Brechzahl des Glasstabes nGL genügend kleineren Brechzahl nKF> außerhalb des Rohres R von Luft umgeben ist, als Lichtleiter mit im Vergleich zum Kunststofflichtleiter größerem oder zumindest gleich grobem Aperturkegel , dessen Basisfläche voll vom Leuchtfeld des Bogens B überdeckt wird. In diesem Fall ist der Kunststofflichtleiter optimal an djn Quecksilberhöchstdrucklampe angekoppelt.The cylindrical, sheathed, highly flexible plastic light guide K is with an immersion liquid I to reduce the Fresnel losses to one cylindrical polished glass rod GL, the diameter of which is equal to the diameter of the Fiber optic core is optically coupled. The quartz glass housing G of the lamp and the glass rod GL are made of an optically transparent cooling liquid inside the tube KF washes around, which at the same time as immersion liquid at the Fresnel losses the outer surface of the quartz glass housing G and on the coupling surface of the glass rod GL lowers. The glass rod GL acts because it is inside the tube R from the cooling liquid KF with a sufficient refractive index compared to the refractive index of the glass rod nGL smaller refractive index nKF> outside the tube R is surrounded by air, as a light guide with larger or at least equally coarse compared to plastic fiber optics Aperture cone, the base area of which is completely covered by the luminous field of the arc B. In this case, the plastic fiber optic is ideal for the high pressure mercury lamp coupled.

Mit dieser Anordnung konnte im Dauerversuch in einen 1,5 mm dicken zylindrischen Kunststofflichtleiter eine Weißlichtleistung von ca. 1 Watt eingekoppelt werden. Der Glasstab absorbiert dabei die für den Kunststofflichtleiter gefährlichen spektralen Anteile der optischen Strahlung der Quecksilberhöchstdrucklampe. Führte man dagegen den Kunststofflichtleiter ohne Glasstab-Endstück direkt an die Lampe heran, so wurde er in wenigen Sekunden trotz Kühlflüssigkeit thermisch zerstört.With this arrangement, a 1.5 mm thick layer could be obtained in a long-term test A white light output of approx. 1 watt is coupled into the cylindrical plastic light guide will. The glass rod absorbs the dangerous for the plastic fiber optic cable spectral components of the optical radiation of the super-high pressure mercury lamp. Led you, on the other hand, attach the plastic light guide directly to the lamp without a glass rod end piece approached, it was thermally destroyed in a few seconds despite the coolant.

Fig. 5 zeigt mögliche alternative Ausführungen, bei denen ein wärmeunempfindliches Lichtleiterstück LL direkt in das Gehäuse G (Lampenkörper) einer thermischen Lichtquelle (z. B. Quecksilberhöstdrucklampe, Xenonkurzbogenlampe, Wolframbandlampe) integriert ist. Dadurch kann der Abstand der Einkopplungsflache des Lichtleiters zum Leuchtfeld noch weiter verringert werden, was gegebenenfalls eine bessere Ausnützung des Leuchtfeldes oder dessen Verkleinerung zuläßt.Fig. 5 shows possible alternative designs in which a heat-insensitive Light guide piece LL directly into the housing G (lamp body) of a thermal light source (e.g. high pressure mercury lamp, xenon short-arc lamp, tungsten ribbon lamp) integrated is. This can reduce the distance between the coupling surface of the light guide and the light field can be further reduced, possibly resulting in better utilization of the luminous field or allows its reduction.

Claims

Claims: 1. Method for coupling light guides to thermal light sources of high power, characterized in that a possible thermal damage to the optical fiber to be coupled. Absorption of certain spectral components of the light source is avoided in that the light guide coupling end piece is carried out from heat-insensitive material, 2. The method according to claim 1, characterized in that by suitable choice of the material of the light guide iterånkopplunysendstückes unwanted or harmful spectral components of the light source are filtered out.

3. Process according to Claims 1 and 2, characterized in that the light guide coupling end piece to reduce the distance to the light field the lamp is integrated into the lamp body.

4. The method according to claims 1, 2 and 3, characterized in that that as a light source a high pressure mercury lamp or xenon short-arc lamp and a glass, quartz or transparent crystal rod as the light guide coupling end piece is used.

5. Application of the method according to claim 4. for the optimal. and non-destructive Coupling of a plastic fiber optic cable to light sources of the highest power