DE3704872A1 - Beleuchtungseinrichtung mit einem lichtleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung, wie sie im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 im Hinblick auf die DE-PS 24 06 424 als bekannt vorausgesetzt wird.

Die bekannte Beleuchtungseinrichtung ist in erster Linie zur Strahlungspolymerisation von Dentalkunststoffen durch kurzwellige Strahlung einschließlich des nahen Ultravioletts bestimmt. Die Füllflüssigkeit kann aus wässrigen Salzlösungen oder mehrwertigen Alkoholen wie Glycerin oder Ethylenglycol bestehen und soll möglichst wasserähnlich sein, d. h. möglichst viele OH-Gruppen enthalten, damit die Füllflüssigkeit den sie einschließenden Schlauch aus Fluorkohlenstoffharz möglichst wenig benetzt und ein Abdiffundieren der Flüssigkeit dadurch weitestgehend vermieden wird. Als Schlauchmaterial kann bei der bekannten Einrichtung PTFE, PFA oder ein Copolymer von Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen (FEP) verwendet werden, wobei das letztgenannte Material in Kombination mit einer Füllung aus einer wäßrigen Calciumchloridlösung bevorzugt wird. Die bekannte Beleuchtungseinrichtung hat sich bei der Polymerisation von Dentalkunststoffen ausgezeichnet bewährt. Es gibt aber Anwendungen wie z. B. die Endoskopie, bei denen noch Wünsche offen bleiben, insbesondere hinsichtlich der Transmission im sichtbaren Spektralbereich.

Die Transmission der bekannten Beleuchtungseinrichtung wird insbesondere im Rotbereich durch die erwähnten OH-Gruppen gemindert. Vor allem aber wurde in der Praxis festgestellt, daß die Transmission kein konstanter Faktor ist, sondern sich während des Gebrauchs je nach Biegung des Lichtleiterschlauches ändern kann. Dieses Problem ist bei den bisher üblichen Flüssigkeitslichtleitern mit FEP-Schläuchen insbesondere bei dickerer Ausführung gegeben. Wenn ein noch flexiblerer Fluorkunststoff als Schlauchmaterial verwendet wird, kann aufgrund der damit möglichen stärkeren Biegung die Transmission noch stärker beeinträchtigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beleuchtungs­ einrichtung zu schaffen, deren Lichtleiter, der relativ dick sein kann, eine gute Transmission im sichtbaren Spektralbereich mit besonderer Berücksichtigung des Rotbereiches hat, und dessen Transmission wesentlich weniger biegeabhängig ist als bisher.

Diese Aufgabe wird durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 gelöst.

Die Verwendung einer Siliconflüssigkeit in einem biegsamen Lichtleiter ist an sich bekannt.

Die Erfindung beruht jedoch auf der bisher nicht nutzbar gemachten Erkenntnis, daß durch den erheblichen Unterschied zwischen dem Brechungsindex des aus Fluorkunststoff bestehenden Schlauches (in der Größenordnung von 1,35 oder weniger) und dem auf seinen Phenylgruppen beruhenden höheren Brechungsindex (1,55 bis 1,57) des erfindungsgemäß verwendeten speziellen Siliconöls die bisher beobachteten Transmissionsverluste bei Biegung des Schlauches weitgehend vermieden werden. Überraschenderweise steht diesem Vorteil keine geringere Beständigkeit des Lichtleiters gegenüber, obwohl das Siliconöl das Schlauchmaterial wesentlich stärker benetzt als die Füllflüssigkeit der bekannten Beleuchtungseinrichtungen. Trotz der Benetzung tritt dank der hohen Viskosität des verwendeten Siliconöls kein Flüssigkeitsverlust durch Kapillar­ wirkung auf, und dank des extrem niedrigen Dampfdruckes dieser Flüssigkeit ist auch keine Verdampfung durch den unvermeidbar permeablen Schlauch zu befürchten, so daß der Lichtleiter für lange Zeit ohne die von einem Flüssigkeitsverlust verursachte Bläschenbildung arbeiten kann.

In dem bevorzugten Anwendungsbereich der medizinischen Endoskopie hat das verwendete Siliconöl den zusätzlichen Vorteil, physiologisch unbedenklich zu sein, was im Hinblick auf die nicht auszuschließende Gefahr eines im Körperinneren auftretenden Lecks wichtig ist.

Ein anderer, optischer Vorteil der erfindungsgemäß verwendeten Füllflüssigkeit und ihres hohen Brechungsindex ist eine extrem hohe numerische Apertur (ca. 0,8). Das bedeutet, daß wesentlich mehr Licht einer am Lichtleiterende angeordneten Halogenlampe oder sonstigen Lichtquelle transmittiert werden kann, und zwar insbesondere dann, wenn das Abschlußfenster aus einem Glas mit ähnlich hohem Brechungsindex besteht. Das Abschlußfenster kann hierfür zweckmäßig aus einem Flintglas bestehen, das zugleich die vorteilhafte Eigenschaft hat, kurzwelliges Licht im Spektralbereich unterhalb etwa 320 nm wegzufiltern, das eine photochemische Zersetzung der Füllflüssigkeit bewirken und somit die gewünschte Langzeitbeständigkeit des Lichtleiters beeinträchtigen könnte.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert:

Die in der Zeichnung dargestellte Beleuchtungseinrichtung 10 enthält eine Lichtquelle 12 und einen Lichtleiter 14. Die Lichtquelle 12 hat ein nur schematisch angedeutetes Gehäuse 16, in dem sich eine Wolfram-Halogen-Lampe 18 befindet, die mit einem ellipsoidförmigen Kaltlichtspiegel 20 versehen ist und beispielsweise eine handelsübliche 150 W-Projektionslampe sein kann. Die Lampe 18 ist mit einer nur schematisch dargestellten, konventionellen Stromversorgung 22 verbunden, die beispielsweise einen Netztransformator enthalten und durch einen Fußschalter schaltbar sein kann (nicht dargestellt), wie es bei Endoskop- Lichtquellen allgemein üblich ist.

Der Lichtleiter 14 enthält einen flexiblen Schlauch 24, vorzugs­ weise aus TFB (einem Ter- oder Quater-Copolymeren, das Vinyliden­ fluorideinheiten enthält) oder auch aus FEP (Copolymerisat aus Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen) oder einem anderen geeigneten Fluorkunststoff, der einen möglichst niedrigen Brechungs­ index haben soll. Der Schlauch 24 ist mit einer transparenten, lichtleitenden Flüssigkeit 26 gefüllt und am Lichteintrittsende sowie am Lichtaustrittsende jeweils durch Abschlußfenster 28 bzw. 30 vorzugsweise aus Flint- oder Kronglas verschlossen. Das Lichteintrittsende mit dem Abschlußfenster 28 ist im Fokusbereich des Spiegels 20 angeordnet, so daß das Licht von der Lampe 18 in das Lichteintrittsende des Lichtleiters 14 fokussiert wird. Der Lichtleiter 14 kann beispielsweise eine Länge von 2 bis 3 m haben. Der Innendurchmesser des Schlauches 24 kann beispielsweise 2 bis 20 mm betragen.

Die Füllflüssigkeit besteht aus einem Phenylmethylsiliconöl, dessen die freien Valenzen der Si-O-Kette absättigenden Reste (Radikalgruppen) zu mehr als 20% aus Phenylgruppen bestehen sollen, weil diese zu einem hohen Brechungsindex führen. Je größer der Unterschied zwischen dem Brechungsindex der Füllflüssigkeit und dem niedrigeren Brechungsindex des Schlauches ist, desto weniger ändert sich die Transmission des Lichtleiters bei Biegungen des Schlauches. Die Ketten der Füllflüssigkeit können drei oder mehr Siliciumatome enthalten. Derzeit werden Trisiloxane (also Ketten mit drei Si-Atomen) bevorzugt, die vier oder fünf Phenylgruppen und folglich nur vier oder drei CH₃-Gruppen aufweisen, oder Mischungen aus diesen beiden Trisiloxanen. Eine derartige Füllflüssigkeit hat einen Brechungsindex von etwa 1,55 bzw. 1,58, der somit um mindestens ²/₁₀ über dem Brechungsindex des Schlauches liegt.

Die Füllflüssigkeit der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung sorgt nicht nur für eine gute Biegeunabhängigkeit der Transmission, sondern ist auch besonders günstig für die Durchlässigkeit im Rotbereich des sichtbaren Spektrums, eignet sich ferner für tiefe und hohe Temperaturen und hat zudem den Vorteil einer extrem hohen optischen Apertur. Zur Ausnutzung des letztgenannten Vorteils trägt das erwähnte Fenster 28 aus hoch brechendem Glas bei, dessen Brechungsindex ähnlich hoch ist wie der der Füllflüssigkeit. Es besteht also optimale Anpassung zwischen dem Fenster und der Füllflüssigkeit ohne wesentliche Reflexionsverluste an den Grenzflächen. Im Gegensatz zu einem Quarzfenster, das photochemisch aktive Strahlung unterhalb etwa 320 nm durchläßt, wird diese Strahlung durch das Fenster 28 weggefiltert.

Für gewisse spezielle Hochdruck-Bogenentladungslampen, die als Lichtquelle 12 verwendet werden können, aber auch für Glühlampen od. dgl. kann es zweckmäßig sein, an der Lichteintritts­ seite des Lichtleiters ein dielektrisches Wärmeschutzfilter vorzusehen, das auf die der Lichtquelle zugewandte Stirnfläche des Fensters 28 aufgedampft wird, wie bei 32 angedeutet ist, aber auch auf einem eigenen Träger angeordnet sein kann.

Die Stirnflächen der Fenster, insbesondere die äußeren Stirn­ flächen, können mit reflexionsvermindernden dielektrischen Beschichtungen versehen sein.

Gemäß einem besonderen Merkmal kann die Füllflüssigkeit der hier beschriebenen Beleuchtungseinrichtung einen fluoreszierenden Farbstoff enthalten, der in der Flüssigkeit löslich sein soll. Beispielsweise kommen hierfür vorzugsweise Perylen-Farbstoffe oder -Pigmente, wie Lumogen F, Orange 240 oder Rot 300 oder Violett 570 (BASF) in einer Konzentration von z. B. 0,02% oder mehr oder auch Rhodamine u. a. m. in Betracht. Der fluoreszierende Stoff wird so gewählt, daß er durch das zur Verfügung stehende Anregungslicht zur Fluoreszenz angeregt wird und Fluoreszenzstrahlung in einem brauchbaren Wellenlängenbereich liefert. Der fluoreszierende Farbstoff hat den Vorteil, daß man zur Erzeugung der erforderlichen Lichtleistung nicht Licht in den relativ kleinen Querschnitt des Lichtleiterendes einkoppeln muß, sondern transversal zur Schlauchlängsachse Anregungslicht einkoppeln kann. Häufig genügt eine großflächige Niederdruck-Gasentladungslampe (Leuchtstofflam­ pe), und selbst mit Umgebungslicht einschließlich diffusem Sonnenlicht lassen sich Beleuchtungsstärken erreichen, die für viele Zwecke genügen. Auch für diesen Vorteil ist die geringe Dämpfung im Rotbereich aufgrund der verwendeten Füllflüssigkeit wichtig.

Bei Verwendung des Lichtleiters für einen photovoltaischen Generator kann ein Ende oder beide Enden des Kunststoffschlauches durch einen Stopfen verschlossen sein, an dessen Innenfläche sich eine Silicium-Photozelle in direktem Kontakt mit der inerten Füllflüssigkeit befindet. Hierdurch werden die sonst an den Grenzflächen eines transparenten Fensters auftretenden Lichtver­ luste vermieden. Bei dieser und anderen Anwendungen, bei denen die die Fluoreszenz des gelösten Farbstoffes anregende Strahlung nicht axial durch ein stirnseitiges Fenster, sondern radial durch den Kunststoffschlauch eingestrahlt wird, kann an einem Ende des Schlauches ein Spiegel angeordnet sein, wodurch die Intensität der am anderen Ende zur Verfügung stehenden Fluo­ reszenzstrahlung erheblich erhöht wird.

Claims (10)

1. Beleuchtungseinrichtung mit einem Lichtleiter, der einen zumindest an der Innenseite aus einem Kohlenstoff-Fluorpolymeren oder -Copolymeren bestehenden biegsamen Schlauch enthält, der an den Enden durch transparente Abschlußfenster verschlossen und mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllflüssigkeit ganz oder teilweise aus einem Phenylmethyl- Siliconöl besteht.

2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die freien Valenzen absättigenden Reste des Siliconöls zu mehr als 20% aus Phenylgruppen bestehen.

3. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliconöl Ketten mit mehr als zwei Siliciumatomen enthält.

4. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Siliconöl aus Trisiloxanen mit vier oder fünf Phenylgruppen oder Mischungen hieraus besteht.

5. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllflüssigkeit einen fluoreszierenden Farbstoff enthält.

6. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllflüssigkeit einen Perylen-Farbstoff, wie Lumogen F Orange 340 oder Rot 300 oder Violett 570 (BASF) enthält.

7. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einer Lichtquelle, wie einer Wolfram-Halogen-Glühlampe, die optisch mit einem Lichteintrittsende des Lichtleiters gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das der Lichtquelle zugewandte Abschlußfenster des Lichtleiters aus Flintglas oder einem anderen Glas besteht, welches unterhalb etwa 320 nm absorbiert und einen ähnlichen Brechungsindex hat wie die Füllflüssigkeit.

8. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende des Kunststoffschlauches ein Reflektor angeordnet ist.

9. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an mindestens einem Ende des Kunststoff­ schlauches eine Photozelle angrenzend an die Füllflüssigkeit angeordnet ist.

10. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlauch TFB, FEP oder PFA enthält.