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Die
Erfindung betrifft einen faseroptischen Lichtleiter und ein Lichthärtungsgerät zur Erzeugung eines
konvergenten Strahls von konzentriertem, hochintensivem Licht zum
Aushärten
einer lichthärtenden
Dentalzusammensetzung.
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Lichthärtende Materialien
werden üblicherweise
in der Zahnheilkunde als Dichtmittel, Haftmittel und als Füllmaterialien
zum Füllen
von Zahnhohlräumen
verwendet. Zum Aushärten
des lichthärtenden Materials
wird es einer Strahlungsenergie in einem vorgegebenen Spektralbereich
ausgesetzt, typischerweise entweder im langwelligeren ultravioletten oder
im sichtbaren blauen Spektrum, das der Zusammensetzung des lichthärtenden
Materials angepasst ist. Ein Lichthärtungsgerät mit einer Reflektorlampe wird
zur Bestrahlung des lichthärtenden
Materials verwendet, in dem man Licht von der Reflektorlampe durch
einen Lichtleiter führt,
der mit seinem distalen Ende in der Nähe des auszuhärtenden
lichthärtenden
Materials positioniert ist. Der Lichtleiter dient dazu, das Licht
zu dem Material im Bereich der Dentalrestauration zu leiten.
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Die
der Übertragung
von Licht durch einen Lichtleiter zu Grunde liegende Physik ist
bekannt und nicht auf das Gebiet der Zahnheilkunde beschränkt. Jedes
herkömmliche
Optiklehrbuch enthält
die Grundlagen, um den kritischen Winkel und die numerische Apertur
für eine
maximale Lichtübertragung durch
ein leitendes Medium mit bekannter Geometrie, Zusammensetzung und
Brechungsindex zu berechnen. Es sind die Ergebnisse von praktischen
Einflüssen,
wie der eingeschränkten
Zugänglichkeit, Handhabung
und Größe, welche
die Konstruktion von Dentallichtleitern und Lichthärtungsgeräten komplizierter
gestalten. Um beispielsweise die maximale Zugänglichkeit und Handhabbarkeit
innerhalb des Mundraums eines Patienten zu gewährleisten benötigt der
Zahnarzt einen Lichtleiter mit einem gekrümmten Endabschnitt. Daher liegt
ein Schwerpunkt in der Konstruktion von Lichtleitern, welche die Übertragung
von Licht von einer Reflektorlampe mit gegebenen Abmessungen, die
in einem gegebenen Spannungsbereich arbeitet, unter den vom Zahnart
und den praktischen Umständen
hinsichtlich Länge
und Durchmesser geforderten Randbedingungen zu maximieren.
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Ein
herkömmlicher
Lichtleiter ist ein massiver Leiter, der entweder aus Glas oder
aus Kunststoff besteht, oder ein faseroptischer Leiter, der aus
mehreren Glasfaseradern besteht, die als flexibles Bündel zusammengehalten
werden oder zu einem massiven Stab aus individuellen Fasern verschmolzen sind.
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Aus
EP-A-0 240 007 ist ein Lichthärtungsgerät mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des vorliegenden Anspruchs 1 bekannt.
GB-A-2 023 874 beschreibt ein optisches Kopplungselement zur Übertragung
eines optischen Signals von einer einzelnen übertragenden optischen Faser
zu zwei sich verjüngende
optische Empfangsfasern. Aus US-A-4,932,747 ist eine Vorrichtung
zum Homogenisieren der Intensität
eines Lasers bekannt, wobei man mehrere optische Fasern zu einem
einzelnen, eingeschmolzenen Ende verjüngt. GB-A-2 228 097 beschreibt
ein optisches Kopplungsmittel mit sich verjüngenden optischen Fasern zur
präzisen
Ausrichtung von optischen Fasern in sich gegenüberliegenden Bündeln.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Lichtleiter mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 und eine Verwendung, wie sie in Anspruch 7 definiert
ist.
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Der
erfindungsgemäße Lichtleiter
ist ein faseroptischer Lichtleiter mit einem länglichen, sich konisch verjüngenden
Abschnitt und einem gekrümmten
Abschnitt, der einen konvergenten Strahl von hochintensivem Licht
am distalen Ende des gekrümmten
Abschnitts bei minimalen Lichtverlusten im Lichtleiter erzeugt.
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Der
erfindungsgemäße Lichtleiter
umfasst:
mehrere faseroptische Adern, die zur Bildung eines massiven
Leiters mit festgelegter Geometrie zusammengebündelt sind, der entlang eines
wesentlichen Abschnitts seiner Länge
einen länglichen,
konisch geformten Abschnitt und einen distal von dem konischen Abschnitt
verlaufenden gekrümmten
Abschnitt aufweist, wobei jede faseroptische Ader aus einem sich
verjüngenden
Kern mit bestimmtem Brechungsindex und einer plattierten Beschichtung
mit einem niedrigeren Brechungsindex als dem Brechungsindex des
Kerns aufweist, wobei jede faseroptische Ader eine komplementäre verjüngende Geometrie mit
einem Verjüngungswinkel
aufweist, der im Wesentlichen dem Verjüngungswinkel jeder anderen
optischen Faser entspricht, so dass die kumulierte Verjüngung aller
faseroptischen Adern einen optischen Konus des Leiters bilden, der
einen Verjüngungswinkel
aufweist, der proportional zur Anzahl der sich verjüngenden
Fasern in dem Bündel
multipliziert mit dem Verjüngungswinkel
dieser faseroptischen Adern ist.
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Andere
Gegenstände
und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich im Folgenden
aus der detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen
in denen:
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1 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen lichthärtenden Geräts mit einer Lampenanordnung
und einem Lichtleiter ist;
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2 eine
schematische Darstellung ist, die den Effekt von parallelen Lichtstrahlen
durch einen faseroptischen Leiter zeigt, der zur Bildung einer konischen
Verjüngung
maschinell bearbeitet wurde;
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3 eine
schematische Darstellung des erfindungsgemäßen faseroptischen Lichtleiters
zeigt, der das Prinzip illustriert, Fasern übereinanderzustapeln, um einen
optischen Konus für
das Leiterbündel zu
bilden, wobei der Verjüngungswinkel
proportional zur Anzahl der Fasern und dem Verjüngungswinkel jeder einzelnen
Faser ist;
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4 ein
Querschnitt des faseroptischen Leiters der 3 entlang
der Linien 4-4 der 3 ist;
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4B ein
vergrößerter Querschnitt
einer faseroptischen Ader mit dem Verjüngungswinkel („T") ist;
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4A ein
vergrößerter Querschnitt
einer einzelnen faseroptischen Ader der 4 ist;
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5 ein
Querschnitt des faseroptischen Leiters der 3 entlang
der Linie 5-5 der 3 ist; und
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6 eine
schematische Darstellung des Effekts von parallelen Lichtstrahlen
durch einen faseroptischen Leiter ist.
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Die
in 1 schematisch dargestellte Lichtquelle (10)
umfasst einen Leuchtdraht (12) und einen parabolischen
Reflektor (11). Der Leuchtdraht (12) ist auf der optischen
Achse (13) innerhalb der Lichtquelle (10) so positioniert,
dass Lichtkegel aus dem Reflektor (11) in Richtung eines
Brennpunktes reflektiert werden, wo ein Lichtleiter (15)
angeordnet ist. Der Lichtleiter (15) weist eine lichtaufnehmende
Oberfläche
(14) auf, die zum Empfang des einfallenden Lichtkegels
senkrecht zu der optischen Achse (13) orientiert ist. Die
Lichtkegel werden in einem Einfallswinkel empfangen, der zur maximalen
Effizienz so groß wie
möglich
sein sollte. Der als numerische Apertur bekannte mathematische Sinus
des maximalen maximalen Einfallswinkels wird durch die optischen
Eigenschaften des faseroptischen Materials und durch dessen Form
bestimmt. Der Durchmesser des Lichtleiters (15) an der
lichtaufnehmenden Oberfläche
(14) ist so gewählt,
dass das effiziente Sammeln von in der Brennebene einfallendem Licht
die mit der lichtaufnehmenden Oberfläche (14) übereinstimmt,
maximiert wird und liegt im Allgemeinen im Bereich zwischen 8–13 mm. Üblicherweise
hat der Lichtleiter (15) einen gekrümmten Endabschnitt (16) um
den Anforderungen hinsichtlich Handhabbarkeit und Zugänglichkeit
des Lichtleiters (15) beim Einführen in den Mundraum des Zahnpatienten
Genüge
zu tun. Der gekrümmte
Abschnitt (16) hat einen Krümmungsradius, der in Abhängigkeit
zu dem Durchmesser des gekrümmten
Endes des Lichtleiters (15) gewählt wird, wobei der Krümmungswinkel
bei einem Durchmesser im Bereich von 0,7 bis 1,5 cm zwischen dreißig Grad
(30°) bis
sechzig Grad (60°)
beträgt.
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Es
ist bekannt, dass wenn sich der Lichtleiter verjüngt, die Verjüngung den
Einfallswinkel für
jede Reflektion verringert und eine Konzentration der Lichtstrahlen
am distalen Ende des Lichtleiters bewirkt. Dies gilt für jedes
lichtleitende Medium ebenso wie für einen Dentallichtleiter aus
Glas, Kunststoff oder einen faseroptischen Stab mit mehreren Faseradern.
Der erzielbare Nutzen muss gegen die Tatsache abgewogen werden,
dass für
jede Lichtreflexion durch einen sich verjüngenden Leiter der Einfallswinkel
um das Doppelte des Verjüngungswinkels
abnimmt. Wenn also der Verjüngungswinkel
groß ist wird
der Einfallswinkel selbst bei einer geringen Anzahl von Reflektionen
schnell kleiner als der kritische Winkel, bei dem Licht gemäß dem Snell'schen Brechungsgesetz
aus dem Lichtleiter entweicht.
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Wenn
der Leiter ein faseroptischer Leiter mit mehreren Fasersträngen ist
und mechanisch zur Bildung einer konischen Geometrie bearbeitet
wurde, ermöglicht
es die konische Oberfläche
dem Licht durch Lichtstreuung zu entweichen. Dies wird aus 2 deutlich,
die zeigt, wie parallele Lichtstrahlen (17) in die lichtaufnehmende
Oberfläche
(18) eines massiven faseroptischen Lichtleiters (20)
einfallen, der zur Bildung einer konischen Oberflächengeometrie
bearbeitet wurde. Die parallelen Lichtstrahlen (17) streuen
entlang des geschliffenen Konus (21) aus dem Lichtleiter
(20) heraus. Das Konzept der Verwendung eines sich verjüngenden
Körpers
kann also nicht bei mechanisch konturierten faseroptischen Stäben angewendet
werden. Aus diesem Grund wurde das Konzept von sich verjüngenden Wellenleitern
bis jetzt nur bei aus Glas oder Kunststoff bestehenden massiven
Leitern angewendet.
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Die
erfindungsgemäße faseroptische
Anordnung ist schematisch in den 3 bis 6 dargestellt.
Jede Faserader (15) des faseroptischen Leiters (27)
besteht aus einem zentralen Kern (22) der zur Bildung eines
Verbundmaterials wie in den 4 und 4A gezeigt
von einer Hülle
(23) umgeben ist. Erfindungsgemäß weist jede Ader (25)
des Leiters (27) eine eigene, von der Verjüngung jeder
anderen Ader (25) separate Verjüngung auf. Zur Bildung eines
Leiters (27) mit sich individuell verjüngenden Adern kann jede faseroptische
Ader (25) separat verjüngt, gebündelt und
zur Bildung eines massiven Leiters (27) zusammengeschmolzen
sein oder ein Abschnitt einer massiven Faseroptik kann zur Bildung
eines länglichen,
ausgedehnten Abschnitts mit konischer Geometrie gestreckt werden,
wobei jede Ader sich entlang des gestreckten Abschnitts gleichmäßig verjüngt. Der
sich verjüngende
Abschnitt kann dann aus dem gestreckten Körper ausgeschnitten werden,
so dass jede faseroptische Ader (25) sich über ihre
Länge gleichmäßig verjüngt. Ein
gekrümmter
Endabschnitt (28) kann dann durch Erwärmen und Umformen eines Endes
(28) gebildet werden. Dieser ergibt einen länglichen,
sich verjüngenden,
konischen Abschnitt (31) und einen gekrümmten Endabschnitt (28).
Der gekrümmte
Endabschnitt (28) weist einen gleichmäßigen oder gleichmäßigeren
Durchmesser auf. Der Durchmesser des faseroptischen Leiters (27)
weist an seinem distalen Ende (32), wie in 5 gezeigt,
abhängig
von der Verjüngung
des Leiters (27) und seiner Länge merklich verringerte Abmessungen
auf. Obwohl der Durchmesser des Leiters (27) an seinem
distalen Ende (32) wesentlich geringer als der Durchmesser
im konischen Abschnitt (31) ist, bleibt die Anzahl der
Faser im Leiter (27) unverändert. In dieser Anordnung
werden, wie in 6 gezeigt, parallele Lichtstrahlen
(29), die an der lichtaufnehmenden Oberfläche (30)
einfallen, intern durch jede faseroptische Ader (25) reflektiert,
ohne gestreut zu werden. Darüber
hinaus erzeugt, wie in den 3 und 4B dargestellt,
der Verjüngungswinkel
(„T") jeder faseroptischen
Ader, gemessen von der durch das Zentrum des Lichtleiters führenden
Längsachse, kumulativ
einen optischen Verjüngungswinkel
(„X") des Lichtleiters,
der direkt proportional zur Anzahl der sich verjüngenden Adern in dem Bündel multipliziert mit
dem Verjüngungswinkel
(„T") jeder Ader ist.
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Wenn
also beispielsweise 100 Seite an Seite liegende Fasern auf dem Durchmesser
eines Bündels
aus faseroptischen Adern vorhanden sind und der optische Verjüngungswinkel
des gesamten Bündels
beispielsweise fünf
Grad (5°)
beträgt,
dann würde
sich jeder Faser mit einem Winkel von etwa fünf Hundertstel Grad (0,05°) verjüngen. Dies
bedeutet, dass jede individuelle Faser nahezu die gleichen optischen
Eigenschaften wie eine parallele Faser aufweist. Anders gesagt sind
bei einem Verjüngungswinkel
von nur 0,05° sehr
viele interne Reflektionen notwendig, bevor der interne Einfallswinkel
sich in der individuellen Faser bis auf den kritischen Winkel verringert.
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Die
um den zentralen Kern (22) jeder faseroptischen Ader (25)
gebildete Hülle
(23) ist, wie in 4 und 4A gezeigt,
selbst an sich bekannt und wird durch Dotieren des Glasmaterials
gebildet, um kontrolliert den Brechungsindex der Hülle (23)
zu verringern. Es ist notwendig, dass der Brechungsindex des Kerns
(22) größer als
der Brechungsindex der Hülle
ist. Vorzugsweise weist der Kern einen Brechungsindex von 1,62 und
die Hülle
einen Brechungsindex von 1,42 auf.