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Lichtquelle mit einstellbarer Intensitätsverteilung
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und hoher Leuchtdichte.
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Die Erfindung betrifft eine Lichtquelle bestehend aus einer oder mehreren
Vorrichtungen zur Erzeugung von Licht und einer oder mehreren Vorrichtungen zur
Sammlung von Licht.
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Sehr häufig wird eine Lichtquelle mit einer bestimmten spektralen
Intensitätsverteilung benötigt. Als Beispiele für gewünschte Verteilungen seien
genannt: Normlichtarten, Tageslicht, nahezu konstante Intensität über einen möglichst
breiten Spektralbereich und Kompensation von Photodetektor-Charakteristiken mit
Hilfe der Lampencharakteristik.
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Bisher wurden bestimmte spektrale Intensitätsverteilungen erzeugt,
indem eine Lichtquelle (Gasentladung, thermische Lichtquelle usw.) mit Filtern abgeschirmt
wurde, deren Absorption so auf die Emission der Lichtquelle abgestimmt war, daß
nur ein Teil des Lampen-
lichtes mit der gewünschten spektralen
Verteilung diese Filter passieren konnte (z. 5. Xenontest-Gerät, wo durch umlaufende
Filter im zeitlichen Mittel ein Tageslicht-Spektrum erzeugt wird).
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Ein zweites Problem ist die in sehr vielen Fällen unbefriedigend geringe
erzielbare Leuchtdichte herkömmlicher Lichtquellen. Die für die meisten optischen
Anwendungen ideale Lichtquelle ist möglichst punktförmig und hat eine hohe Leuchtdichte.
Durch die Schmelzpunkte der Materialien für Gluhwendeln (ca. 3000 K Farbtemperatur
erzielbar) oder Keramiken für schwarze Körper und die Siedepunkte von Metallen (geschätzt
10 000 K erreichbar) sowie durch die Plasmadichte von Gasentladangslicntquellen
sind die Grenzen für erzielbare Leuchtdichten mit konventionellen Lichtquellen (Ausnahme:
Laser) gegeben.
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Da'sei ist der technische Aufwand beim Betrieb solcher Lichtquellen
enorm und die Lebensdauer gering.
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Der erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lichtquelle der eingangs
definierten Art mit hoher Lichtaus, beute und großer Variationsbreite der spektralen
Intensitätsverteilung zu schaffen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Lichtsammelvorrichtungen
Fluoreszenzkörper sind, die mit herkömmlichen Lampen erzeugtes Licht großflächig
sammeln und konzentriert über Auskoppelstellen wieder abgeben. Der Fluoreszenzkörper
besteht aus einem transparenten Material (fest oder flüssig, organisch oder anorganisch)
mit einem Brechungsindex n>1, in dem fluoreszierende Partikel (organische oder
anorganische fluoreszierende Farbstoffe, seltene Erden, z. B.
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Neodys) enthalten sind, die auftreffendes Licht absorbieren und Fluoreszenzlicht
emittieren, das aufgrund von Totalreflexion zum großen Teil im Fluoreszenzkörper
gehalten und geleitet wird und nur an bestimmten Stellen (Auskopnelstellen) austritt.
Der wesentliche Vorteil der
Erfindung liegt darin begründet, daß
mit einfachen Mitteln das Licht auch großflächiger Lichtquellen gesammelt und auf
eine Auskoppelstelle konzentriert wird. Bemerkenswert ist, daß mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung höhere Leuchtdichten erzielt werden können, als sie in den Vorrichtungen
zur Erzeugung von Licht vorkommen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird das in den Fluoreszenzkörpern
gesammelte Licht über Lichtleiter geführt. Bei der Verwendung von Lichtleitern kann
die geometrische Form der Fluoreszenzkörper sehr einfach gehalten werden (z. B.
Zylindermantel). Der Bereich, in dem Lichtmischung aus mehreren Fluoreszenzkörpern
und die Auskopplung des Lichtes erfolgt, ist im allgemeinen konstruktiv aufwendiger
und wird daher vorzugsweise aus klarem Lichtleitermaterial hergestellt. Auf diese
Weise ist außerdem ein leichter und kostengünstiger Austausch von verschlissenen
Fluoreszenzkörpern möglich.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind in geringer Konzentration
streuende Teilchen im Fluoreszenzkörper oder Lichtleiter eingebaut, um Lichtstrahlen
mit sehr langen Laufwegen mit hoher Wahrscheinlichkeit umzulenken, während solche
mit kurzem Weg zur Auskoppelstelle eine geringe Streuwahrscheinlichkeit haben. Derselbe
Effekt läßt sich durch eine leicht streuend wirkende Oberflächenbehandlung (Aufrauhen,
Aufdrucken von Pigmenten) erzielen. Letztere kann in ihrer Stärke örtlich verschieden
sein (beispielsweise zur Auskoppelstelle hin zunehmen).
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Oberflächen
des Lichtleiters mit Ausnpamep der Stellen, an denen das Licht aus den Fluoreszenzkörpern
ein- oder ausgekoppelt wirdldielektrisch oder metallisch verspiegelt. Dadurch wird
in einem sich konisch verengenden
Lichtleiterteil die Lichtleitung
auch dann noch ermöglicht, wenn keine Totalreflexion stattfindet.
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Im Rahmen der Erfindung sind dielektrische Vielfachschichten auf die
Auskoppelstellen aufgebracht. Dadurch läßt sich der Winkelbereich und der Frequenzbereich
des ausgekoppelten Lichtes einschränken. Außerdem wird Licht, das die Bedingung
für die Auskcpplung nicht erfüllt, in den Fluoreszenzkörper zurückreflektiert und
kann dadurch über Streuung oder Fluoreszenzstreuung erneut ausgenutzt werden.
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Der konstruktive Aufbau besteht darin, daß die Vorrichtung zur Erzeugung
von Licht und die Lichtsammelvorrichtung in einem innen reflektierenden Gehäuse
aufgebaut sind, dessen Verspiegelung metallisch, diffus oder dielektrisch sein sann.
Der Reflektor führt das Licht, das noch nicht in Fluoreszenzlicht umgewandelt wurde,
ebenso wie Fluoreszenzlicht, das einen Fluoreszenzkörper anders als über die Auskoppelstelle
verlassen hat, diesem oder einem anderen Fluoreszenzkörper immer neu zu. Der Wirkungsgrad
der Lichtsammelvorrichtung wird so erhöht. Außerdem ist man in der Wahl der Farbstoffkonzentration
weitgehend frei.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung reflektiert der Gehäusereflektor
nur Licht, das für die Anregung der Lichtsammelvorrichtung ausgenützt werden kann.
Dadurch wird die Wärmebelastung der Anordnung herabgesetzt, da nicht nutzbares Licht
sofort abgestrahlt wird.
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Im Rahmen der Erfindung sind ferner metallische oder dielektrische
Verspiegelungen an den Stellen der Lichtsammelvorrichtung oder des Lichtleiters
angebracht, an denen aus konstruktiven Gründen (z. 5. Halterungen) die Tctalreflexion
nicht gewährleistet ist. Dadurch werden
Verluste, die durch die
Anbringung von beispielsweise Halterungen auftreten können, vermieden.
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Im Rahmen der Erfindung ist ferner vorgesehen, daß die Anordnung von
einem Kühimedlum durchströmt wird. Bei hoher Betriebstemperatur sinkt die Lebensdauer
der Fluoreszenzkörper ebenso wie diejenige der Lampen zur Lichterzeugung. Deshalb
sollte die thermische Belastung der Anordnung so gering wie möglich gehalten werden.
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Eine gute Kühlung erhöht also die Lebensdauer der erfindungsgemaßen
Vorrichtung.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung finden diffuse Reflektoren
zur Lichtumlenkung vom Fluoreszenzkörper in den Lichtleiter Verwendung. Damit wird
gegenüber metallischen Reflektoren die Möglichkeit geschaffen, daß mehrfach reflektiertes
Licht ausgekoppelt werden kann, während es sonst möglicherweise umläuft und die
Auskoppelstellen nie erreicht.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung finden als Lichtsammelvorrichtung
mehrere Fluoreszenzkörper mit unterschiedlicher Dotierung (z. B. Fluoreszenzfarbe
blau, grün, rot oder auch infrarot) Verwendung. Dadurch können Mischfarben, also
z. B. weißes Licht, erzeugt werden.
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Im Rahmen der Erfindung finden als Lichtquellen vorzugsweise Gasentladungslampen
Verwendung. Die Lichtausbeute ist bei Gasentladungslampen höher und die Wärmeen+wicklung
geringer als bei thermischen Lichtquellen. Außerdem können leicht beliebig geformte,
großflächige Lichtquellen hergestellt werden. Diese Eigenschaften sind für die Lichtsammlung
mit Fluoreszenzkörpern gl7^stig, während man bei Spiegel- oder Linsensystemen auf
punktförmige Lichtquellen angewiesen ist.
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Tach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Lichtauellen
beweglich angeordnet. Auf diese Weise kann man den Ort der Anregung im Fluoreszenzkörper
verändern und damit die mittlere Laufstrecke des Fluoreszenzlichtes.
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Da die Absorption und die Emissionsbanden der meisten Fluoreszenzfarbstoffe
sich überlappen, wird kurzwelliges Fluoreszenzlicht bei langem Laufweg wieder absorbiert
und reemitert. Mit längerem Laufweg des Lichtes im Fluoreszenzkörper verschiebt
sich die spektrale Lage des Fluoreszenzlichtes zu längeren Wellenlängen. Über den
Ort der Fluoreszenzanregung läßt sich also das Emissionsspektrum verändern.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind bewegliche Reflektoren
vorgesehen, mit deren Hilfe der beleuchtete Bereich der Lichtsammelvorrichtung verändert
werden kann. Auf diese Weise ist die spektrale Intensitätsverteilung der Lichtquelle
gemäß der Erfindung varilerbar.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung befinden sich die Auskoppelstellen
im Brennpunkt oder der Brennlinle einer Hohlspiegelanordnung, vorzugsweise einem
Parabolspiegel.
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Auf diese Weise kann ein weitgehend paralleler Lichtstrahl erzeugt
werden.
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In Rahmen der Erfindung können die Auskoppelstellen beliebige geometrische
Form haben.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind Vorrichtungen vorgesehen,
mit denen die Intensität der Lichtquelle nach der erfindung moduliert werden kann.
Dies kann beispielsweise mechanisch (z. B. Anpressen von Streuvorrichtungen an die
Lichtleiter oder Fluoreszenzkörper, wodurch die Lichtleitungunterbrochen wird) oder
akustisch (stehende akustische Wellen im, Lichtleiter bewirken Dichte- und Brechungsindexschwankungen,
die das Licht umlerk-en),
elektrooptisch (Kerrzelle zwischen Polarisatoren,
Flüssigkristalle) oder auf eine andere Weise geschehen.
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Die Modulationsvorrichtungen befinden sich vorzugsweise an der Ubergangsstelle
zwischen Fluoreszenzkörper und Lichtleiter oder an der Auskoppelstelle. Eine mit
einer solchen Modulationsvorrichtung ausgestattete Lichtquelle nach der Erfindung
läßt. sich als optischer Sender betreiben. Es sind aber auch einfachere Anwendungen
denkbar, wie z. B. als Blink- oder Blitzlampe (Autobahnsignale) oder als Stroboskope.
Das häufige Ein- und Ausschalten herkömmlicher Lampen, die zur Zeit für derartige
Anwendungen verwendet werden, führt im allgemeinen zu einer wesentlich kürzeren
Lebensdauer gegenüber kontinuierlichem Betrieb. Bei einer Lichtquelle nach der Erfindung
würde die Anordnung kontinuierlich betrieben und nur die Lichtauskoppelung würde
geschaltet.
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Die Erfindung wird anhand der Figuren erläutert. Es zeigen: Figur
1 eine Seitenansicht durch eine Lichtquelle nach der Erfindung mit einem konischen
Lichtleitteil und Figur 2 einen Seitenschnitt durch eine Aus führungs form mit einer
Hohlspiegelanordnung und einer elektrooptischen Vorrichtung zur Modulation der Lichtintensität.
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In den Figuren sind zum Zweck der Übersichtlichkeit elektrische Zuleitungen
und mechanische Teile, z. B.
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Halterungen, die nicht zum Verständnis der Erfindung beitragen, weggelassen
worden. Außerdem sind in allen Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen
verstehen.
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In den Figuren sind mit 1 bis 3 Fluoreszenzkörper und mit 4 Verspiegelungen
bezeichnet die zur Lichtfallen-
wirkung der Fluoreszenzkörper beitragen.
Zwischen herkömmlichen Lichtquellen 5, die in Pfeilrichtung beweglicn angeordnet
sein können, und den Fluoreszenzkörpern befinden sich Reflektoren 6, die ebenfalls
beweglich angeordnet sein können. Die gesamte Anordnung wird von einem innen reflektierenden
Gehäuse 7 umschlossen, das an einer Auskoppelstelle 8 unterbrochen ist. Bei 9 ist
ein Übergang von fluoreszierend dotiertem Material zu klarem Lichtleitermaterial
10 markiert. Der Abschnitt A kennzeichnet den Bereich, in dem vorzugsweise Lichtleiter
Verwendung finden.
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In der Figur 2 sind mit 11 Spiegel bezeichnet, die das Fluoreszenzlicht
in den Lichtleiter 10 umlenken. Die Bezugszahl 12 bezeichnet einen Hohlspiegel,
in dessen Brennpunkt sich die Auskoppelstelle 8 bzw. 8' vorzugsweise befindet. Mit
13 ist eine Immersionsflüssigkeit bezeichnet, die den optischen Kontakt zwischen
dem Lichtleiter an der Auskoppelstelle 8 und einem elektrooptischen Ventil bestehend
aus einer Flüssigkristallschicht 14 zwischen zwei Polarisatoren 15, herstellt.
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Durch das Anbringen dieses Moduls ist die Auskoppelstelle 8 nach 8'
verlegt worden.
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In den Fluoreszenzkörpern 1 bis 3 wird das von den Lichtquellen 5
emittierte Licht teilweise absorbiert und Fluoreszenzlicht emittiert, das im Fluoreszenzkörper
durch Totalreflexion fortgeleitet wird. Durch geeignete Formgebung oder Verspiegelungen
4 ist der Fluoreszenzkörper als Lichtfalle ausgebildet. Die Auskoppelung des Lichtes
an erfunschten-Stellen 8 kann ebenso durch Formgebung oder durch streuende Pigmente
(aufgedruckt oder eingearbeitet, beispnelseseise Milchglas) erfolgen. Beispielsveise
in dem konischen Lichtleiterteil der gezeigten Ausführungsform ist ein schwacher
Zusatz von streuenden Partikeln im Lichtleitermaterial oder eine
leicht
streuende Oberflächenbehandlung sinnvoll, um Lichtstrahlen mit sehr langen Laufwagen
im Lichtleiter mit hoher Wahrscheinlichkeit umzulenken, während solche mit kurzem
Weg zur Auskoppelstelle eine geringe Streuwahrscheinlichkeit haben. Außerdem sollten
die Öffnungswinkel der Kegel auf deren Mänteln die konischen Teile der Anordnung
liegen, möglichst klein, das heißt, nicht größer als konstruktiv erzwungen wird,
gewählt werden.
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Bei anderen Geometrien sind ähnliche Maßnahmen zu ergreifen, die dafür
sorgen, daß Licht aller möglichen Laufrichtungen die Auskoppelstelle erreichen kann.
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Zunächst ungenutztes Lampen- oder Fluoreszenzlicht wird von der Gehäusewand
7 reflektiert und dem Fluoreszenzkörper erneut zugeführt.
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Da die Emissionsspektren der Lampen (verschiedene Gasfüllungen) unterschiedlich
sein können und durch verschieden tiefes Einfahren der Röhren 5 und Spiegel 6 die
beleuchtete Fläche jedes Fluoreszenzkörpers sowie die mittlere Laufstrecke des Fluoreszenzlichtes
in den jeweiligen Körpern einstellbar sind, ist die Erzeugung von Licht mit einer
beliebigen spektralen Intensitätsverteilung ohne scharfe Linien möglich.
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Linienspektren können in gewissen Grenzen dadurch erzeugt werden,
daß dielektrische Vielfachschichten auf die Auskoppelstelle 8 aufgebracht werden.
Solche Schichten können sich auch auf einem kleinen, der Auskoppelstelle geometrisch
nachgebildeten Lichtleiter befinden, der im optischen Kontakt oder einfach nur dicht
vor der Auskoppelstelle angebracht wird, so daß das Licht ihn passieren muß. Es
können mit ganzen Sätzen derartigerVorsätze unterschiedliche Linienspektren erzeugt
werden.
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In gleicher Weise kann auch eine Vorrichtung zur Intensitätsmodulation,
beispielsweise ein elektrooptisches Ventil, angebracht werden. Damit kann die Lichtquelle
als optischer Sender oder Stroboskop betrieben werden.
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Außerdem ermöglicht die Lichtquelle nach der Erfindung die Erzielung
einer sehr großen Leuchtdichte. Sie stellt damit streckenweise eine wrgänz71mg zum
Laser dar. Das System ist erschütterungsunempfindlich und stellt praktisch keine
Anforderungen an die Justiergenauigkeit.
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Eine Kühlung, ebenso wie ein einfaches Wechseln von unbrauchbar gewordenen
Fluoreszenzkörpern oder Lampen stellt keinerlei Problem dar und ist im allgemeinen
mit sehr geringen Kosten verbunden.
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Die Antneldung beschränkt sich nicht auf die beschriebene Ausführungsform
sondern umfaßt z. 3. alle möglichen geometrischen Formen, mit denen Lichtquellen
nach dem erfindungsgemäßen Funktionsprinzip zu realisieren sind. So kann z. B. ein
scheibenförmiger Fluoreszenzkörper als Deckplatte eines innen reflektierenden Gehäuses
Verwendung finden, in dem eine oder mehrere Lichtuqellen angeordnet sind. Wird diese
Fluoreszenzplatte an ihren Schmalseiten mit einem diffusen Reflektor umgeben und
beispielsweise im Zentrum mit einer Auskoppelstelle versehen, dann ist damit eine
weitere besonders einfache Ausführungsforin im Rahmen der Erfindung geschaffen.
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Außerdem beinhaltet die Bezeichnung Lichtquelle keine Beschränkung
auf den sichtbaren Bereich des Spektrums elektromagnetischer Wel1en.
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19 Patentansprüche 2 Figuren
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