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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft allgemein
Beleuchtungssysteme mit hoher Intensität und betrifft insbesondere
Lichtübertragungssysteme,
bei denen faseroptische Lichtleiter verwendet werden, um Licht von Hochtemperaturlichtquellen
hoher Intensität
zu führen.
Spezieller betrifft diese Erfindung Vorrichtungen und Verfahren,
um Licht von einer Lichtquelle mit hoher Intensität in Niedertemperatur-Lichtleitfasern einzukoppeln.
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BESCHREIBUNG DES STANDES
DER TECHNIK
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Auf dem Gebiet faseroptischer Übertragungssysteme
ist es bekannt, Lichtquellen mit hoher Intensität und hoher Wärmeleistung
zu verwenden, wie z. B. Quecksilber-, Metallhalogenid- oder Xenon-Bogenlampen,
die eine typische Betriebsleistung im Bereich von 35 bis 1000 Watt
haben; siehe das US-Patent Nr. 4,757,431, erteilt am 12. Juli 1988 und übertragen
an denselben Inhaber wie die vorliegende Anmeldung. Diese Lichtquellen
werden mit einem faseroptischen Lichtleiter verwendet, der aus einer
einzelnen Faser oder einem Bündel
vieler kleiner Fasern bestehen kann. Standardfaserbündel bestehen
typischerweise aus Glas mit niedriger Schmelztemperatur, im Gegensatz
zu Quarzgut oder Quarz, deren Schmelztemperatur annähernd 1000°C höher ist.
Solche Systeme finden insbesondere Verwendung in medizinischen und
industriellen Anwendungen und werden in Verbindung mit Instrumenten
wie Endoskopen, Industrieendoskopen und ähnlichem verwendet.
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Das Einkoppeln von Licht aus eine
Lichtquelle mit hoher Intensität
in einem Lichtleiter erfordert das Verdichten und Fokussieren von
Licht, und seine Konzentrierung führt zu einer hohen Leistungsdichte am
Brennpunkt. Die Temperaturerhöhung
am Brennpunkt hängt
von dem Ausmaß ab,
zu dem das Licht absorbiert wird. Größere Punktgrößen sind
verbunden mit geringerer Temperaturerhöhung, ein kleiner Absorptionsgrad
wird zu einer großen
Erhöhung
der Temperatur führen.
Um die Temperaturerhöhung
zu verringern, muß die
Leistungsdichte reduziert werden, wie es mit größeren Punktgrößen verbunden
ist.
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Um das Schmelzen eines Faserbündels zu verhindern,
werden typischerweise IR-Filter zwischen der Lichtquelle und dem
Bündel
angeordnet. Mit kleiner werdendem Brennpunkt werden Materialien
mit höherer
Schmelztemperatur, wie beispielsweise Quarz, notwendig. Wie in dem
US-Patent Nr. 4,757,431 beschrieben wird, gibt es wirkungsvolle Verfahren,
um das Licht bis hinab zu einem Durchmesser von 1 mm oder weniger
zu fokussieren, die zu einer sehr viel größeren Leistungsdichte am Lichtleitfaserziel
führen,
als man es bei Beleuchtungssystemen findet, die Licht durch ein
Faserbündel übertragen.
Solch hohe Leistungsdichten erfordern Lichtleiter, die aus Materialien
mit höheren
Schmelztemperaturen bestehen, um ein Schmelzen der optischen Faser
am Punkt des Einkoppelns des Lichtes in die Faser zu verhindern.
Dies trifft sowohl auf Einzelfaserlichtleiter zu als auch auf Faserbündel mit kleinem
Durchmesser (2 mm oder weniger).
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Aus Quarz hergestellte optische Fasern
sind teuer, und es ist notwendig, daß solche optischen Fasern über eine
ausreichend lange Zeitdauer verwendet werden, um ihre Kosten zu
rechtfertigen. In einer chirurgischen Umgebung bedeutet dies, daß solche optischen
Fasern nach jedem Gebrauch sterilisiert werden müssen. Da Sterilisationsverfahren
typischerweise die Verwendung von Hochtemperaturautoklaven oder
chemischen Desinfektionsmitteln mit sich bringen, müssen die
optischen Lichtleiter mit optischen Fasern dazu ausgelegt sein,
Wärmeschäden und
Schäden
durch den Gebrauch solcher Chemikalien zu widerstehen. Darüberhinaus
sind Quarzfasern relativ spröde
und schwierig zu biegen ohne zu brechen, so daß ein großes Maß an Sorgfalt während der
Handhabung notwendig ist.
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Obwohl Standard-Glas-(z. B. Borsilikat-)faserbündel aus
relativ preisgünstigen
Materialien hergestellt sind, ist ihr Übertragungsverhalten über lange
Faserlängen
durch die Transmissivität
der Materialien und Packungsverluste begrenzt. Außerdem setzt
die niedrige Schmelztemperatur des Glases Grenzen für das kleinste
Bündel,
das an eine Lichtquelle hoher Intensität gekoppelt werden kann.
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Das Koppeln eines faseroptischen
Gerätes, wie
z. B. eines Mikroendoskops mit einer Beleuchtungsöffnung von
2 mm oder weniger, an ein typisches Lichtübertragungsfaserbündel von
3 bis 5 mm Durchmesser ist ineffizient und führt zu einer schlechten Lichtübertragung
zu dem optischen Gerät.
Die Ineffizienz ist zurückzuführen auf
die Flächenfehlanpassung.
Ein Verkleinern der Größe des Faserbündels, damit
sie zu der des Gerätes
paßt, führt zu erheblichen
Kopplungsverlusten von der Quelle, während die Verengung des Brennpunktes auf
ein Bündel
kleinen Durchmessers zum Schmelzen des Bündels führt.
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Im allgemeinen sollte die Größe eines
an ein faseroptisches Gerät
gekoppelten Lichtleiters dem Durchmesser des Gerätes angepaßt sein. Daher ist für optische
Geräte
mit kleinem Durchmesser (z. B. weniger als 2 mm) eine einzelne Hochtemperaturfaser
oder ein Hochtemperaturfaserbündel
notwendig. Einzelfaserlichtleiter mit einem Durchmesser von 1 mm
oder weniger, gekoppelt an eine Lichtquelle, sind effizienter als
ein Bündel
gleicher Größe, da Bündel inhärente Packungsverluste
haben. Da einzelne Quarz- oder Glasfasern über 1 mm Durchmesser im allgemeinen
zu steif zur praktischen Verwendung sind, werden für Anwendungen,
die Durchmesser größer als
1 mm erfordern, typischerweise Faserbündel verwendet.
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Während
Einzelquarzfasern und Glasfaserbündel
zum Übertragen
von Licht nützlich
und effektiv sind, sind sie nicht der am wenigsten teure Weg zur Übertragung
von Licht. Kunststofflichtleitfasern sind sowohl preisgünstig als
auch sehr biegsam, auch bei Durchmessern größer als 1 mm. Es wäre daher
wünschenswert,
diese preisgünstigen
Kunststoffasern in Verbindung mit Lichtquellen hoher Intensität zu verwenden.
Kunststoff hat jedoch wie Glasbündel
eine sehr viel niedrigere Schmelztemperatur als Quarz. Die Verwendung
einer einzelnen Kunststoffaser erfordert daher zum Liefern einer
ausreichenden Beleuchtung ein dazwischenliegendes Lichtübertragungssystem
zwischen der Kunststoffaser und der Lichtquelle.
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Ein Beispiel für eine Anwendung, in der preisgünstige Kunststoffasern
oder preisgünstigere Glasfaserbündel mit
kleinem Durchmesser nützlich wären, ist
das medizinische Gebiet. Die Verwendung von preisgünstigen
Fasern würde
es erlauben, Lichtleiter für
beleuchtete medizinische Instrumente als steriles, einmal zu verwendendes
Produkt zu verkaufen, wodurch die Notwendigkeit für ein Sterilisierung nach
jedem Gebrauch beseitigt wird. Die Verwendung von schmalen, mit
einer einzelnen Hochintensitätsquarzfaser
gekoppelten Bündeln
würde die
Herstellung von kleineren Geräten
ermöglichen.
Allerdings können
weder Kunststoffasern noch Glasfaserbündel mit kleinem Durchmesser
der hohen Temperatur standhalten, die an dem Brennpunkt einer Lichtquelle
entsteht, die verdichtet und auf einen kleinen Punkt fokussiert
wird, der von einer dem Durchmesser solcher Lichtleiter entsprechenden
Größe ist.
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Das US-Patent Nr. 4,986,622, erieilt
am 22. Januar 1991, offenbari einen zum Stand der Technik gehörenden Versuch,
das Problem zu lösen,
Wärmeschäden an Niedertemperaturkunststoffasern
zu vermeiden. Das '622-Patent offenbari eine Lichtübertragungsvorrichtung,
bei der ein wärmeresistentes Glasfaserlichtleitbündel an
den Ausgang einer Lichtquelle mit hoher Intensität gekoppelt wird. Das Glas-Lichtleitfaserbündel wird
dann in einem Standardverbinder mechanisch fest an ein Kunststoffaserlichtleitbündel gekoppelt.
Das '622-Patent erfordert eine mechanische Anpassung des Glasfaserbündels an
das Kunststoffaserbündel,
damit die Erzeugung einer beträchtlichen
Wärmemenge
an dem Kopplungspunkt vermieden wird, der das Kunststoffaserbündel beschädigen würde.
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Das '622-Patent erfordert es, daß der Durchmesser
des Glasbündels
kleiner oder gleich dem Durchmesser des Kunststoffbündels ist.
Dies dient dazu, zu erlauben, daß der aus dem Glasbündel austretende
Lichtkegel in das Kunststoffbündel
ohne Lichtverlust überiragen
wird. In der Praxis ist dieses jedoch nur dann wirksam, wenn es
auch eine optische Bedingung betreffend den Lichtkegelwinkel (d. h.
numerische Aperiur NA) für
jedes Bündel
oder jede optische Faser und den Abstand zwischen ihnen gibt. Das
'622-Patent beachtet diese Voraussetzung nicht. Überdies würde es, wenn der Durchmesser
des Glasbündels
deutlich kleiner wäre
als der des Kunststoffbündels,
eine thermische Beschädigung
der Kunststoffaser bei höheren
Leistungsdichten zur Folge haben, wenn eine genügende Lichtmenge von der Lichtquelle
eingekoppelt würde.
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Im Kontext des '622-Patents scheint
es, daß typischerweise
Bündel
mit 3 oder 5 mm Durchmesser verwendet werden, da die Verbindung
zwischen Glas- und Kunststoffaserbündeln die ist, die typischerweise
in medizinischer Beleuchtungsausrüstung gefunden wird. Solche
Verbinder verwenden eine Nahkopplung zwischen Faserbündeln mit
minimalem Abstand an der Verbindungsstelle und beruhen auf einer
Anpassung der relativen Durchmesser der Bündel. Bei höheren Leistungsdichten würden solche
Verbinder zu einer Schädigung
des Faserbündels
mit niedriger Schmelztemperatur führen.
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Außerdem ist die '622-Lösung unzureichend, um
die Lichtabgabe einer Niedertemperaturfaser zu maximieren, die an
eine Hochtemperatureinzelfaser gekop pelt ist, die Licht von einer
Quelle mit hoher Intensität überträgt.
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Es besteht daher Bedarf auf dem Gebiet
der Technik für
eine Verbesserung von Verfahren und Vorrichtungen zum Einkoppeln
von Licht mit hoher Intensität
in optische Fasern mit niedriger Schmelztemperatur.
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Die deutsche Patentanmeldung 2 617
095 offenbart ein Verfahren zum Koppeln von faseroptischen Wellenleitern
an thermische Lichtquellen mit hoher Leistung, bei dem die mögliche Wärmeschädigung des
zu verbindenden faseroptischen Wellenleiters durch Absorption bestimmter
spektraler Bereiche der Lichtquelle vermieden werden kann, indem das
Endstück
zum Verbinden des faseroptischen Wellenleiters aus einem nicht wärmeempfindlichen Material
hergestellt ist.
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Das US-Patent 5,099,399 offenbart
einen faseroptischen Beleuchter mit hohem Wirkungsgrad mit thermisch
geregelter Lichtleiterdurchführung.
Der faseroptische Beleuchter beinhaltet auf einer optischen Achse
eine Beleuchtungsquelle und ein koaxial auf der optischen Achse
angeordnetes optisches Element, das in einer Bildebene ein Bild
der Beleuchtungsquelle abbildet.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt
ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Koppeln von Licht hoher Intensität in eine
optische Faser mit niedriger Schmelztemperatur zur Verfügung, wie
sie in den Ansprüche
1 und 14 beschrieben sind. Das räumliche Filter
erlaubt es nicht nur, die optische Faser mit niedriger Schmelztemperatur
aus dem Brennpunkt des Lichtes hoher Intensität zu entfernen, sondern es
dissipiert auch ungeführte
Moden der Lichttransmission, bevor sie in die Niedertemperatur-Lichtleitfaser
eintreten. Das räumliche
Filter kann zwischen dem Brennpunkt einer Lichtquelle hoher Intensität und einer
optischen Faser niedriger Schmelztemperatur angeordnet sein, und
es kann alternativ zwischen einer optischen Faser mit hoher Aperiur
und hoher Schmelztemperatur und einer Niedertemperatur-Lichtleitfaser
mit niedriger Apertur angeordnet sein. Die Quelle von Licht hoher
Intensität
kann eine direkte Quelle sein, die auf einen Punkt kleiner als 2 mm
fokussieri ist, oder kann alternativ aus einer zweiten Einzelfaser
herrühren,
die an eine Lichtquelle hoher Intensität gekoppelt ist. Wenn die numerische Apertur
der Empfangsfaser kleiner ist als die des räumlichen Filters, wird ein
mit Abstand versehene Konfiguration benötigt, mit einer mechanischen
Wärmeableitung,
wenn die Lichtintensität
höher als
etwa 400 mW/mm2 ist. Wenn die numerischen
Aperturen gleich sind oder die der Empfangsfaser größer ist
als die des räumlichen
Filters, hängen
das Ausmaß,
in dem die Fasern beabstandet sind, und die Erfordernis mechanischer
Wärmeableitung
von den Relativdurchmessern der Fasern ab, von der Wellenlänge des
Lichtes und von der Leistungsdichte.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Die vorliegende Erfindung wird vollständiger zu
v erstehen sein anhand der weiter unten gegebenen, detaillierten
Beschreibung und der begleitenden Zeichnungen, die lediglich zur
Veranschaulichung angegeben werden und die vorliegende Erfindung nicht
einschränken,
worin:
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1 eine
Darstellung ist, die das allgemeine Konzept eines räumlichen
Filters gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulicht;
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2a–2c jeweilige alternative
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, ausgeführt mit einem Nahverbinder,
veranschaulichen;
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3 eine
Darstellung eines Hochintensitäts-Beleuchtungssystems
ist, das mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann;
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4 eine
Darstellung ist, die eine spezielle Ausführungsform eines Nahverbinders
zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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5 eine
alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der das räumliche Filter verwendet wird,
um Licht aus einer optischen Faser hoher numerischer Apertur in
eine Niedertemperatur-Lichtleitfaser mit niedriger numerischer Apertur
zu koppeln.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ein Beispiel einer Quelle von Licht
hoher Intensität,
wie sie von der vorliegenden Erfindung betrachtet wird, ist in 3 gezeigt. Das Lichtquellengehäuse 10 enthält eine
Lichtquelle (typischerweise eine Hochintensitäts-Bogenlampe, wie z. B. eine
Xenon- oder Quecksilber-Bogenlampe oder jede andere Quelle sichtbarer
elektromagnetischer Strahlung, die geeignet ist, auf eine Leistungsdichte
von wenigstens 400 mW/mm2 fokussiert zu
werden) und einen konkaven Reflektor zum Sammeln und Verdichten von
Licht aus der Quelle auf das Eingangsende 4 einer optischen
Faser 2. Der Betrieb des Sammel- und Verdichtungssystems
ist in dem oben genannten US-Patent Nr. 4,757,431 beschrieben. Ein
Empfangsblock 6 aus Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit (d. h. Aluminium) ist
an einer der Wände
des Gehäuses 10 angebracht,
um einen die optische Faser 2 enthaltenden Verbinder 8,
der in ein Ende 6a des Blocks 6 eingesetzt ist,
mit dem Gehäuse
zu verbinden. Das Gehäuse 10 enthält auch
eine Durchführung 9,
die an dem Block 6 am Ende 6b befestigt ist.
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Der Verbinder 8 ist durch
einen Verriegelungsmechanismus 11 mit dem Block 6 verbunden.
In dem Block 6 ist ein Druckknopfschalter 54 angeordnet,
mit einem Druckknopf 58, der dazu vorgesehen ist, den Verschluß der Lichtquelle
verschlossen zu halten, um die Augen eines Anwenders vor dem Licht hoher
Intensität
bei Abwesenheit eines Verbinders 8 zu schützen. Leitungen 56 sind
mit einem Schaltkreis verbunden, um den Verschluß zu bedienen, wenn der Druckknopf 58 durch
die Anwesenheit des Verbinders 8 eingedrückt wird.
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Die Art des Lichtquellensystems 33 ist
dergestalt, daß eine
sehr hohe Lichtstromdichte auf die kleine Fläche des Eingangsendes 4 der
Faser 2 fokussiert wird. Der fokussierte Lichtpunkt wird
Licht mit hohen Divergenzwinkeln enthalten, was dazu führen wird,
daß eine
große
Anzahl von Ausbreitungsmoden in die Faser eintreten. Die Anzahl
der Moden, die sich in der Faser ausbreiten können oder geführt werden
können,
ist jedoch durch die physikalischen Eigenschaften der Faser begrenzt,
einschließlich
solcher Faktoren wie der numerischen Apertur der Faser und des Radius
des Faserkerns.
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Aufgrund von Flächen- und Modenfehlanpassung
wird nur ein Bruchteil des fokussierten Lichtes tatsächlich durch
die Faser weitergeleitet. Das verbleibende Licht wird entweder in
der Fläche,
die das Eingangsende der Faser umgibt, ab sorbiert, wobei die Erzeugung
einer erheblichen Wärmemenge verursacht
wird, oder es tritt in ungeführten
Moden, die sich in der Faser nicht ausbreiten können, in die Faser ein.
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1 zeigt
das allgemeine Konzept der vorliegenden Erfindung. Licht 82 hoher
Intensität,
das Komponenten mit hohem Divergenzwinkel enthält, wird auf einen kurzen Abschnitt
einer wärmeresistenten
optischen Faser aus einem Material mit hoher Schmelztemperatur fokussiert.
Ein Beispiel für
eine solche Faser mit hoher Schmelztemperatur ist eine Quarzfaser:
es kann jedoch jedes andere geeignete Material mit hoher Schmelztemperatur
verwendet werden. Die Hochtemperaturfaser 84 wird von einer Wärmeableitung 66 umgeben,
die aus wärmeleitendem
Material hergestellt ist, z. B. Metall.
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Die Hochtemperaturfaser 84 ist
geeignet, der Wärme
standzuhalten, die durch das Licht erzeugt wird, welches nicht in
die Faser eintritt, sondern auf die das Eingangsende der Faser umgebende
Fläche fällt. Darüberhinaus
ist der Abschnitt der Faser lang genug, so daß die Faser als ein räumliches
Filter arbeitet, in dem alle in das Eingangsende der Faser eintretenden
ungeführten
Lichtmoden vollständig über die
Länge der
Faser 84 dissipiert werden. Folglich wird die Ausgabe der
Faser 84 nur aus geführten Lichtmoden
bestehen, die als geführte
Moden der optischen Faser 80 mit niedriger Schmelztemperatur eingekoppelt
werden. Die optische Faser 80 ist aus Materialien wie Kunststoff
oder weichem Glas, wie z. B. Borsilikat, hergestellt. Da in die
Niedertemperaturfaser 80 nur geführte Moden eingekoppelt werden, gibt
es keine Erzeugung von Überschußwärme zwischen
dem Ausgangsende der Faser 84 und dem Eingangsende der
Faser 80. Idealerweise sollte die numerische Apertur der
Hochtemperaturfaser kleiner oder gleich der numerischen Apertur
der Faser mit niedriger Schmelztemperatur sein. Aber auch wenn die
numerische Apertur der Hochtemperaturfaser größer ist, wird die räumliche
Filterung des Lichtes von der Quelle Moden höherer Ordnung beseitigen, die
in Wärme
umgewandelt werden würden.
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In Abhängigkeit von der Reinheit und
der Schmelztemperatur der Niedertemperaturfaser können zusätzliche
Maßnahmen
notwendig sein, um sicherzustellen, daß es nicht zu einem Wärmeschaden kommt.
Kunststoffasern haben oft Verunreinigungen, die Licht absorbieren
werden, was zum thermischen Instabilwerden führt. Der Effekt ist deutlicher,
wenn die numerische Apertur der Hochtemperaturfaser größer ist
als die der Niedertemperaturfaser. Z. B. kann bei hohen Lei stungsdichten
Licht, das gerade innerhalb der Oberfläche einer Kunststoffempfangsfaser
absorbiert wird, Schmelzen und Kraterbildung der Kunststoffaseroberfläche hervorrufen.
Dieser Effekt ist ausgeprägter,
wenn die numerische Apertur der Kunststoffaser niedriger ist als
die numerische Apertur der Hochtemperaturfaser. Dieser Effekt kann durch
das Beabstanden der Fasern und durch das Vorsehen einer Wärmeableitung
zum Abführen
resultierender Wärmeenergie
beseitigt werden. Der konkrete Abstand hängt von der Leistungsdichte
und der numerischen Apertur ab.
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Beispielsweise ist bei einer Quarzfaser
mit 0,47 mm Durchmesser und NA = 0,68, die 2 Watt sichtbaren Lichtes
(410 nm bis 650 nm) einer Polymethacrylatfaser mit einem Durchmesser
von 1 mm und NA = 0,55 zuführt,
der erforderliche Abstand wenigstens 1,7 mm, um eine Wärmeschädigung der Kunststoffaser
zu vermeiden. Bei diesem Abstand weicht ein Teil des höherwinklingen
Lichtes, das aus der Hochtemperaturfaser austritt, von der Öffnung der
Kunststoffaser ab, so daß für ein zusätzliches Mittel
der räumlichen
Filterung gesorgt ist. Mit dem gleichen Abstand und einer Kunststoffaser
mit 1,5 mm Durchmesser wäre
die gesamte übertragene Leistung
das Zweifache von der der 1 mm-Faser. In beiden Fällen ist
die Menge des Lichtes, die an die Kunststoffaser ohne Beschädigung übertragen
wird, erheblich größer als
die, die durch direkte Kopplung an die Lichtquelle möglich ist.
Die beabstandete Anordnung verringert die Intensität des Lichtes,
das auf die Oberfläche
der Faser fällt
und verringert die Wahrscheinlichkeit, Schwellabsorption innerhalb
der Faser zu erreichen, die eine Wärmeschädigung verursachen würde. Die
durch das Überschußlicht erzeugte
Wärme erfordert
die Verwendung einer Wärmeableitung.
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Die Schmelzschwelle einer Kunststoffaser hängt von
der Zusammensetzung der Faser und dem Grad der Verunreinigungen
ab. Materialien, die die von dem räumlichen Filter übertragenen
Wellenlängen
des Lichtes absorbieren, neigen dazu, die Menge des Lichtes zu verringern,
die ohne Schädigung eingekoppelt
werden kann. Gleichermaßen
ist, wenn die numerische Apertur des räumlichen Filters größer ist
als die der Empfangskunststoffaser, die Kopplungseffizienz vermindert,
und die Schädigungsschwelle
ist daher bei dem gleichen Abstand kleiner, als wenn die numerische
Apertur des räumlichen
Filters geringer ist als die der Empfangskunststoffaser. Im Gegensatz
dazu erfordert das Koppeln von Licht hoher Intensität aus einer
Quarzeinzelfaser einer numerischen Apertur von 0,68 in ein 1 mm-Borsilikatbündel mit
NA = 0,86 oder 0,55 keinen speziellen Abstand (die einzige Abstandsbedingung
ist die, daß die Einzelfaser
so angeordnet ist, daß das
Licht gerade die Öffnung
des Bündels
ausfüllt)
und kann 2 Watt übertragener
Lichtleistung einer Anzahl von Stunden standhalten. Dieses Ergebnis
rührt in
erster Linie von der höheren
Schmelztemperatur von Borsilikat, verglichen mit Kunststoff, her. Ähnliche
Ergebnisse würden
mit einer einzelnen Borsilikatfaser (1 mm Durchmesser) erwartet
werden. Es muß darauf
geachtet werden, Verunreinigung an den Oberflächen der Empfangsfasern zu
vermeiden, da thermischer Energieverlust und Instabilwerden aufgrund
von Absorption durch die Verunreinigung sehr wahrscheinlich sind.
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Die 2a–2c veranschaulichen verschiedene,
alternative, spezielle Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, wie sie oben in Verbindung mit 1 beschrieben wurde. 2a zeigt eine erste Ausführungsform,
bei der die Verbindung des räumlichen
Filters mit der Faser niedriger Schmelztemperatur innerhalb eines
Nahverbinders 1 liegt, so daß die Verwendung einer Hochtemperaturfaser
für den
Anwender nicht sichtbar ist.
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Ein Beispiel eines solchen Nahverbinders
ist in 4 gezeigt. Der Verbinder 1 besteht
aus einer Hülse 3,
einer Klemmhülse 5 und
einer Schutzhülse 7,
die das Eingangsende 4 der optischen Faser 84 schützt, wenn
diese nicht mit der Durchführung 9 verbunden
ist. Die Wärmeableitung 66 hat
die Form eines Faserstützrohres.
Weitere Details des Verbinders 1 sind in dem US-Patent
5,452,392 beschrieben und werden hier nicht wiederholt.
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2b veranschaulicht
eine zweite Ausführungsform,
bei der die Niedertemperaturfaser 80 an einem separatem
Verbinder 86 angebracht ist, der in den Verbinder 1 eingesteckt
werden kann. Bei dieser Ausführungsform
ist der Nahverbinder 1 wiederverwendbar, während die
Niedertemperaturfaser 80 wegwerfbar ist.
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2c zeigt
ein dritte mögliche
Ausführungsform,
bei der die Hochtemperaturfaser 84 sich außerhalb
des Nahverbinders 1 erstreckt und über eine externen Verbinder 88 an
die Niederiemperaturfaser 80 gekoppelt ist.
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Bei allen drei Ausführungsformen
erforderi die Faser-zu-Faser-Verbindung eine beabstandete Anordnung
und eine Wärmeableitung
an der Verbindung, wenn die Faser niedriger Schmelztemperatur aus
Kunststoff besteht. Für
Fasern für höhere Temperatur,
wie z. B. Borsilikat, ist der Abstand weniger kritisch.
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5 zeigt
eine andere alternative Ausführungsform
der Erfindung, die die Menge des Lichtes vergrößert, die ohne Schädigung durch
eine Plastikfaser geführt
werden kann. Während
eine Quarzfaser mit hoher numerischer Apertur wesentlich mehr Licht von
einer Bogenquelle einkoppeln kann als eine Faser niedrigerer numerischer
Apertur, ist die resultierende räumliche
Filterung weniger als optimal, wenn die numerische Apertur der Empfangsfaser
mit niedriger Schmelztemperatur geringer ist als die der Quarzfaser.
Diese Situation kann verbessert werden entweder durch Anpassen der
numerischen Apertur der räumlich
filternden Faser, so daß diese
geringer oder gleich der numerischen Apertur der lichtempfangenden
Kunststoffaser ist, oder durch Einbauen einer zweiten Faser mit
einer numerischen Apertur gleich oder kleiner der Kunststoffaser
als ein räumliches
Filter zwischen der Quarzfaser hoher numerischer Apertur und der
empfangenden Kunststoffaser. Dieser Aufbau ermöglicht es, mindestens 50% mehr Licht
in die Kunststoffempfangsfaser einzukoppeln als eine direkte Kopplung
ohne ein solches räumliches
Filter.
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In der Praxis gibt es aufgrund von
Absorption durch Farbzentren innerhalb der Kunststoffaser eine Grenze,
bis zu der das Filtern erfolgreich ein Schmelzen der Kunststoffaser
verhindern wird. Schließlich wird
die obere Grenze durch das Absorptionsvermögen der Faser mit geringer
Schmelztemperatur, ihre Reinheit und die Anwesenheit von Verunreinigungen an
der Schnittstelle zwischen den Fasern bestimmt. Das Maximieren der
Intensität
von auf eine Kunststoffaser übertragenem
Licht ist abhängig
von der Leistungsdichte des Lichtes, das von dem räumlichen
Filter emittiert wird, den Eigenschaften der mechanischen Wärmeableitung
und der Größe des Abstandes
zwischen den Fasern. Im allgemeinen wird, wenn die Leistungsdichte
400 mW/mm2 übersteigt, ein beabstandeter
Aufbau notwendig, und der Verbinder muß geeignet sein, als Wärmeableitung
zu arbeiten.
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In 5 wird
die räumlich
filternde Faser 84a mit niedriger numerischer Apertur verwendet,
um Licht von einer Hochtemperatur-Lichtleitfaser 90 mit hoher
numerischer Apertur in eine Niedertemperatur-Lichtleitfaser 80 mit
niedriger numerischer Apertur einzukoppeln. Die optimale Beziehung
zwischen den numerischen Aperturen des Systems ist NAFaser
90 > NAFaser 84a ≤ NAFaser 80 Die Lichtenergie hoher numerischer
Apertur, die von der Faser 90 ausgegeben wird, wird von
dem räumlichen
Filter mit niedriger numerischer Apertur nicht geführt werden,
sondern wird innerhalb seiner Länge
dissipiert werden. Die durch eine solche Dissipation erzeugte Wärme wird
durch die Wärmeableitung 66 von
der Faser 84a weggeleitet werden. Nur geführte Moden
mit niedriger numerischer Apertur werden von der Faser 84a ausgegeben
werden und in die Niedertemperaturfaser 80 eingekoppelt
werden. Solchermaßen
kann ein Niedertemperaturbetrieb der Faser 80 aufrechterhalten
werden. Verglichen mit dem Stand der Technik ist die Lichtmenge,
die in eine Kunststoffaser mit niedriger Schmelztemperatur eingekoppelt
werden kann, 3 bis 5 mal größer.
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In den bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind die optischen Fasern Einzelkernfasern
eines Durchmessers von 0,1 mm bis 1,0 mm. Die Grundsätze der
Erfindung können
jedoch auch gleichermaßen
auf Lichtleitfaserbündel angewendet
werden.
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Nachdem die Erfindung also beschrieben wurde,
wird es für
die Fachleute offensichtlich sein, das dieselbe auf vielerlei Arien
variiert und modifiziert werden kann, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen. Es ist beabsichtigt, daß jede und alle solche Abwandlungen
innerhalb des Umfangs der folgenden Patentansprüche enthalten sind.