DE4007218A1 - Lichtleiter mit einem fluessigkeitsgefuellten lichtleiterschlauch - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Lichtleiter mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen, die aus DE 36 34 651 A1 bekannt sind.

Lichtleiter mit einem flüssigkeitsgefüllten Lichtleiter­ schlauch aus Kunststoff, sogenannte "Flüssigkeitslichtleiter", sind seit langem bekannt. Sie enthalten einen Lichtleiter­ schlauch aus Kunststoff, der an seinen Enden durch trans­ parente Fenster verschlossen ist und eine lichtleitende Flüssigkeit, deren Brechungsindex größer ist als der des Lichtleiterschlauchmaterials enthält. Die Fenster sind zylinderförmige Stopfen aus Glas oder Quarzglas mit polierter, sehr glatter Oberfläche. Der Lichtleiterschlauch besteht gewöhnlich aus einem Fluorcarbonharz und als lichtleitende Flüssigkeiten sind wäßrige Salzlösungen, Silikonöle, ins­ besondere Phenylmethylsiloxan, Polyether u. a. m. bekannt.

Ein Problem bei Flüssigkeitslichtleitern besteht darin, einen festen und sicheren Sitz der Fenster zu gewährleisten, was besonders dann schwierig ist, wenn die Füllflüssigkeit als Schmiermittel wirkt und/oder der Druck der Füllflüssig­ keit im Betrieb oder Gebrauch des Lichtleiters ansteigt, z. B. durch Erwärmung oder eindiffundierende Feuchtigkeit.

Bei Lichtleiterschläuchen aus Copolymeren von Tetrafluor­ ethylen mit Hexafluorpropylen (FEP), wie sie aus DE 24 06 244 C1 bekannt sind, ist das obige Problem besonders gravierend, da dieses Material relativ hart ist, außerdem läßt die Flexibilität von Lichtleitern mit Schläuchen aus FEP zu wünschen übrig. Andererseits ist dieses Material unempfindlich gegen die im Betrieb von Lichtleitern auftretenden Temperaturen.

Lichtleiterschläuche aus fluorhaltigen Polymermaterialien welche aus einem Copolymeren aus Einheiten des Vinyliden­ fluorids sowie aus copolymerisierten Einheiten mindestens eines weiteren fluorhaltigen Monomeren bestehen (Ter- oder Quaterpolymere, die im folgenden mit "TFB" bezeichnet werden sollen) haben zwar den Vorteil, daß sie besser biegsam sind als Schläuche aus FEP. Hier besteht jedoch wie bei allen Lichtleiterschläuchen aus Fluorcarbonharzen die Gefahr, daß bei Verwendung hygroskopischer Füllflüssigkeiten Feuchtigkeit in den Lichtleiterschlauch eindiffundiert, wodurch der Innendruck ansteigt und die Fenster herausgedrückt werden können. Schläuche aus TFB sind außerdem thermisch nicht so belastbar wie soche aus FEP. Schon bei Temperaturen von 60-100°C tritt eine unerwünschte Erweichung des TFB ein. Bei Verwendung in einem Lichtleiter in Kombination mit einer heißen Lichtquelle, z. B. einer 150 W-Wolfram-Halogenlampe oder einer Xenon- oder Metallhalogenid-Gasentladungslampe wird das lichtquellenseitige Ende des Lichtleiters auf den ersten 10 bis 20 Zentimetern erheblich erwärmt und erreicht dort Temperaturen, bei denen die Formstabilität des TFB- Schlauches derart absinkt, daß die kreisrunde Symmetrie des Schlauchquerschnittes verlorengeht. Ein unzulässiges Absinken der Transmission des Lichtleiters ist die Folge.

Der aus DE 36 34 651 A1 bekannte Lichtleiter enthält einen flüssigkeitsgefüllten Lichtleiterschlauch aus TFB, der über seine ganze Länge von einem elastischen Kompressionsschlauch aus weichem Material, wie Silicongummi, umgeben ist, der einen starken radialen Druck auf den Lichtleiterschlauch ausübt. Dies erhöht zwar die Knickfestigkeit, löst jedoch nicht das Problem, einen sicheren Sitz der Fenster und eine hohe Formstabilität zu erreichen.

Bei dem Flüssigkeitslichtleiter, der aus DE 38 12 473 A bekannt ist, besteht der Lichtleiterschlauch in Längsrich­ tung aus mindestens zwei Abschnitten, von denen der Abschnitt der an die Wärme abgebende Lichtquelle angrenzt, aus einem verhältnismäßig wärmeunempfindlichen Kunststoff, wie FEP, besteht und der sich daran anschließende Abschnitt aus einem relativ flexiblen Kunststoff, wie TFB besteht. Wegen der geringen Flexibilität von FEP ist zwar die Formstabilität des Lichtleiterschlauches in dem an die Lichtquelle angren­ zenden Abschnitt gewährleistet, ein sicherer Sitz der Fenster ist jedoch auch hier schwer zu erreichen, außerdem ist dieser bekannte Lichtleiter schwierig herzustellen und daher kostspielig.

Ziel der Erfindung ist es, einen Flüssigkeitslichtleiter mit einem Lichtleiterschlauch anzugeben, bei dem ein sicherer Sitz der Fenster gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Lichtleiter mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dadurch erreicht, daß ein gewisses Stück des Lichtleiterschlauches, in das sich ein Fenster erstreckt, mit einer Hülse in Form eines exakt kreisrunden, paßsitzfähigen, vorgefertigten, semiflexiblen, dünnwandigen, radial im wesentlichen nicht dehnbaren und im sichtbaren Spektralbereich möglichst wenig absorbierenden (also durchsichtigen, durchscheinenden oder hellfarbigen) aufgeschobenen manschettenartigen Röhrchens umgeben ist.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Lichtleiters, die sich insbesondere für Anwendungen eignet, bei denen der Lichtleiter mit einer im Betrieb relativ heiß werdenden Lichtquelle, wie einer Glühlampe oder Gasent­ ladungslampe gekoppelt ist, und bei denen der Lichtleiter­ schlauch aus einem Material besteht, dessen Formstabilität bei der im Betrieb des Lichtleiters auftretenden Erwärmung unzulässig absinkt, ist die Hülse außerdem als eine Art von Verformungsschutz- oder Knickschutzschlauch ausgebildet und erstreckt sich über ein größeres Stück von z. B. 10 bis 30 cm oder 10-25% der Länge des Lichtleiters angrenzend an das im Betrieb der Lichtquelle benachbarte Ende des Lichtleiters.

Dies gewährleistet, daß der Lichtleiterschlauch auch bei der Erwärmung seine kreisrunde Form beibehält und nicht zum Abknicken neigt, der Lichtleiter aber trotzdem im wesent­ lichen die für den betreffenden Kunststoff typische, er­ wünschte Biegsamkeit aufweist. Die Hülse soll dann eine gewisse Biegsamkeit aufweisen und auch bei Temperaturen in der Größenordnung von 100°C noch absolut formstabil bleiben.

Durch die geringe Absorption wird ein Wärmestau vermieden. Da die Hülse eine geringe Wandstärke aufweist, z. B. weniger als 5% des Außendurchmessers des Lichtleiterschlauches, trägt sie kaum auf, so daß der Lichtleiterschlauch in den normalerweise erforderlichen Metallwellschlauch oder -spiral­ schlauch paßt, dessen Innendurchmesser nur wenig größer ist als der Außendurchmesser des Lichtleiterschlauches.

Die dünnwandige Hülse besteht vorzugsweise aus strahlungs­ vernetztem Polyvinylidenfluorid. Die Innenwand der Hülse ist vorzugsweise spiegelglatt (poliert), insbesondere wenn sie relativ lang ist und auch als Verformungsschutzschlauch des lichtquellenseitigen Endes des Lichtleiterschlauches dient.

Anstelle von Polyvinylidenfluorid können für die Hülse auch noch andere Kunststoffe mit vergleichbaren Eigenschaften verwendet werden, wie z. B. Copolymerisate aus Ethylen und Tetrafluorethylen (TFE).

Die Versteifung des flexiblen Lichtleiterschlauches am lichteintrittsseitigen Ende auf eine Länge bis zu z. B. 30 cm durch eine dünnwandige, halbflexible manschetteartige Hülse aus einem temperaturbeständigen, mechanisch harten und relativ biegesteifen Material beeinträchtigt die Beweglich­ keit und Handhabung des Lichtleiters als Ganzes kaum, da bei fast allen Anwendungen in Medizin (Endoskopie) und Technik vor allem das distale, der Lichtquelle abgewandte Ende des Lichtleiters manipuliert wird, dessen Gesamtlänge ein mehr­ faches der Länge der Hülse beträgt.

Zur Abdichtung der Enden des Lichtleiterschlauches bezüglich der diese verschließenden transparenten Stopfen (Fenster) werden normalerweise O-Ringe verwendet. Da der Teil des lichteintrittsseitigen Endes des Lichtleiterschlauches, auf dem der O-Ring dann sitzt, von der Hülse umgeben ist, ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß ein Abquetschen des Licht­ leiterschlauches durch den O-Ring bei der im Betrieb auftre­ tenden Erweichung des Materials, die bei TFB schon ab 60-80°C eintritt, vermieden wird.

Die Hülse wird zweckmäßigerweise vor dem Einsetzen des Fensters in das betreffende Ende auf den Lichtleiterschlauch aufgeschoben. Wegen der geringen radialen Dehnungselastizität und der engen Passung der Hülse erlangt das zylindrisch geformte Fenster, dessen Durchmesser etwas größer ist als der Innendurchmesser des Lichtleiterschlauches, beim Einpressen in den vergleichsweise weichen Lichtleiterschlauch einen besonders festen Sitz. Es kann daher auch vorteilhaft sein, ein Ende oder beide Enden von reativ formstabilen Lichtleiterschläuchen mit einer solchen Hülse zu umgeben, um die Abdichtung und den Sitz des oder der Fenster zu verbessern. Die Hülse kann dann relativ kurz z. B. 20 mm lang sein und z. B. genau das Stück des Lichtleiterschlauches umgeben, in das das Fenster hineinreicht.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen vereinfachten Längsschnitt eines Flüssigkeits­ lichtleiters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Beleuchtungs­ einrichtung mit einem nur teilweise dargestellten Flüssigkeitslichtleiter gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Der in Fig. 1 dargestellte Flüssigkeitslichtleiter 10 enthält einen Lichtleiterschlauch 12 aus TFB, der mit einer lichtleitenden Flüssigkeit 14, insbesondere Diethylenglykol, gefüllt und an seinen Enden durch Fenster 16a, 16b in Form transparenter Stopfen aus Glas oder Quarz verschlossen ist. Ein an das eine Ende des Lichtleiters angrenzendes Stück des Lichtleiterschlauches 12 ist mit einer dünnwandigen man­ schettenartigen, rohrförmigen Hülse 18a aus strahlungsver­ netztem Polyvinylidenfluorid umgeben. Die Hülse 18a ist durchscheinend und hat eine spiegelglatte Innenfläche. Die Wandstärke der Hülse 18a ist vorzugsweise kleiner als 5%, insbesondere kleiner als 3% ihres Innendurchmessers. Ihr Innendurchmesser ist so bemessen, daß sie im Gleitsitz auf ein noch fensterloses Ende des Lichtleiterschlauches 12 aufgeschoben werden kann. Der Innendurchmesser der Hülse kann also etwa 3/100 bis 6/100 mm größer sein als der Außendurchmesser des Lichtleiterschlauches. Das Aufschieben kann durch ein Gleitmittel, wie ein Silikonmaterial, erleichtert werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestand der Lichtleiterschlauch 12 aus TFB. Er hatte einen Innen­ durchmesser von 5,00 mm, einen Außendurchmesser von 5,90 mm und eine Länge von etwa 1700 mm. Die zylinderförmigen Fenster hatten einen Außendurchmesser von 5,05 mm. Die Hülse 18a aus PVDF hatte einen Innendurchmesser von 5,95 mm, eine Wandstärke von 0,15 mm und eine Länge von 13 cm.

Am anderen Ende des Lichtleiters ist ein kurzes Stück des Lichtleiterschlauches 12, in den das Fenster 16b hinein­ reicht, mit einer kurzen, z. B. 10 bis 20 mm langen Hülse 18b der beschriebenen Art umgeben.

Die Hülsen ertsrecken sich vorzugsweise über den ganzen Längenbereich des Lichtleiterschlauches, der von dem betreffenden Fenster eingenommen wird.

Fig. 2 zeigt schematisch eine Beleuchtungseinrichtung mit einem Lichtleiter 10 gemäß der Erfindung. Die Beleuchtungs­ einrichtung enthält eine nur schematisch dargestellte Licht­ quelle 20 mit einer 150 W-Wolfram-Halogenlampe 22, die einen elipsoidförmigen Reflektor 24 aufweist, der mit einer IR- durchlässigen Verspiegelung versehen ist. Vom Lichtleiter 10 ist nur das lichteintrittsseitige Ende mit dem Fenster 16a dargestellt. Zur Abdichtung des aus TFB bestehenden Licht­ leiterschlauches 12 bezüglich des Fensters 16a ist ein O- Ring 26 vorgesehen. Der O-Ring sitzt mit erheblicher radialer Spannung auf einem Teil des Lichtleiterschlauches 12, in den das Fenster 16a hineinreicht und der von der auch als Verformungsschutz dienenden, relativ langen Hülse 18a umgeben ist. Hierdurch wird verhindert, daß der O-Ring 26 den Lichtleiterschlauch 12 abquetscht, wenn letzterer infolge der von der Lichtquelle abgegebenen Wärme weich wird.

Die Hülsen 18a, 18b können durch Wärmeschrumpfen auf das gewünschte Innenmaß gebracht werden. Die Schrumpftemperatur soll genügend hoch sein, z. B. mindestens 175°C, wie bei strahlungsvernetztem Polyvinylidenfluorid, um zu vermeiden, daß die vorgeschrumpfte Hülse bei den im Betrieb des Licht­ leiters auftretenden Temperaturen weiter schrumpft.

Bei der Herstellung des Lichtleiters werden das oder die vorgefertigten Hülsen auf das betreffende Ende des Licht­ leiterschlauches aufgeschoben und dann erst wird das Fenster 16a bzw. 16b eingepreßt und der O-Ring aufgebracht.

Durch die geringe radiale Dehnbarkeit der Hülse erhalten die Fenster beim Einpressen in den Lichtleiterschlauch einen besonders festen Sitz, der eine einwandfreie Abdichtung gewährleistet, wozu der O-Ring noch weiter beiträgt.

Claims (10)

1. Flüssigkeitslichtleiter mit einem aus Kunststoff beste­ henden, biegsamen Lichtleiterschlauch (12), welcher an seinen Enden durch transparente zylinderförmige Fenster (16a, 16b) verschlossen ist, deren Außendurchmesser etwas größer ist, als der Innendurchmesser des Lichtleiterschlauches, und welcher mit einer transparenten Flüssigkeit (14) gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiterschlauch (12) an mindestens einem seiner Enden in einem Bereich, der das betreffende Fenster (16a, 16b) enthält, mit einer rohr­ förmigen Hülse (18a, 18b) umgeben ist, welche

• a) aus einem Kunststoff besteht, der wesentlich starrer ist als der Kunststoff des Lichtleiters,
• b) einen exakt kreisrunden Innenquerschnitt hat, der bezüglich des Außenquerschnitts des Lichtleiterschlauches (12) so bemessen ist, daß die Hülse (18a, 18b) im Gleitsitz auf den Lichtleiterschlauch paßt,
• c) ein geringes Absorptionsvermögen für Strahlung in sicht­ barem Spektralbereich hat,
• d) eine im Vergleich zu ihrem Innendurchmesser kleine Wand­ stärke hat und
• e) wesentlich kürzer als der Lichtleiterschlauch ist.

2. Flüssigkeitslichtleiter nach Anspruch 1, bei welchem der Lichtleiterschlauch aus einem Kunststoff besteht, der bei den im Betrieb des Lichtleiters auftretenden Temperaturen so weich wird, daß die Formstabilität des Lichtleiterschlauches leidet, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmige Hülse (18a) am einen Ende des Lichtleiterschlauches als Verformungsschutz­ schlauch ausgebildet ist, wesentlich weniger flexibel ist als der Lichtleiterschlauch (12) und aus einem Kunststoff besteht, der eine so hohe Erweichungstemperatur hat, daß er bei den im Be­ trieb des Lichtleiters auftretenden Temperaturen formstabil ist.

3. Lichtleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiterschlauch aus einem Copolymeren (TFB) aus Ein­ heiten des Vinylidenfluorids sowie aus copolymerisierten Einheiten mindestens eines weiteren fluorhaltigen Monomeren oder aus FEP besteht.

4. Lichtleiter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hülse (18a, 18b) aus einem Kunststoff be­ steht, der bei Temperaturen bis mindestens 100°C formstabil ist.

5. Lichtleiter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (18a, 18b) aus Polyvinylidenfluorid oder TFE besteht.

6. Lichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (18a, 18b) eine Wandstärke hat, die kleiner als 5% ihres Innendurchmessers ist.

7. Lichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse eine glatte Innenfläche aufweist.

8. Lichtleiter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich die als Verformungsschutzschlauch ausgebildete Hülse (18a) über höchstens 25% der Länge des Lichtleiterschlauches (12) erstreckt.

9. Lichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem sich über das Fenster erstreckenden Teil der Hülse ein O-Ring (26) angeordnet ist.

10. Lichtleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einer Beleuchtungs­ einrichtung, bei welcher das Ende des Lichtleiters, das von der als Verformungsschutzschlauch (18) ausgebildeten Hülse (18a) umgeben ist, optisch mit einer Lichtquelle (20) gekop­ pelt ist, die eine Glühlampe oder eine Gasentladungslampe ent­ hält.