DE9400445U1 - Illumination device with liquid light guide - Google Patents
Illumination device with liquid light guideInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungsgerät mit einer Lichtquelle und einem Flüssigkeitslichtleiter.The invention relates to a lighting device with a light source and a liquid light guide.
Ein derartiges Beleuchtungsgerät ist aus der US-A-4 009 382 bekannt. Aus der DE-A-40 24 445 Al ist ein Flüssigkeitslichtleiter bekannt, der einen Schlauch aus einem amorphen Fluorkunststoff enthält, der unter dem Handelsnamen TEFLON AF von der Firma Dupont erhältlich ist, die folgende Formel hatSuch a lighting device is known from US-A-4 009 382. DE-A-40 24 445 Al discloses a liquid light guide which contains a tube made of an amorphous fluoroplastic which is available under the trade name TEFLON AF from the Dupont company and which has the following formula
--C—c--C—c
•C C--•C C--
Teflon AFTeflon AF
■ 0 0■ 0 0
F-C-F F-C-F I FCF FCF I
und auf einer Kombination aus Tetrafluorethylen und einem fluorierten, zyklischen Ether basiert, welcher als Abstands halter zur polymeren Hauptkette wirkt, wodurch die Kristall sation sterisch behindert wird. Dieser amorphe Fluorkunst stoff ist glasklar und hat einen niedrigen Brechungsindex &eegr; (mit zunehmender Glaspunkttemperatur von &eegr; = 1,315 bis herunter zu &eegr; = 1,29). Dieser Fluorkunststoff ist nicht nur verhältnis mäßig steif, so daß damit hergestellte Lichtleiter auch bei relativ dünner Wandstärke des schlauch-and is based on a combination of tetrafluoroethylene and a fluorinated, cyclic ether, which acts as a spacer to the polymer main chain, whereby crystallization is sterically hindered. This amorphous fluoroplastic is crystal clear and has a low refractive index η (with increasing glass transition temperature from η = 1.315 down to η = 1.29). This fluoroplastic is not only relatively stiff, so that light guides made with it can also be used with a relatively thin wall thickness of the tube.
förmigen Mantels un bequem zu handhaben sind, sondern dieses Material läßt sich auch nur schwer zu Schläuchen extrudieren (die Modifikation Teflon AF 2400 ist gar nicht extrudierbar) und ist außerordentlich teuer: so kostet derzeit 1 g Granulat etwa 10 US $, so daß eine zum Extrudieren erforderliche Charge von 20 kg einen Preis von ca. 240 000 US $ hat, was bei einer erreichbaren Extrusionslänge von je nach Mantelstärke 1000 bis 2000 m einen Meterpreis um 100 US $ ergibt.Not only are the granules easy to handle due to their shape, but this material is also difficult to extrude into tubes (the Teflon AF 2400 modification cannot be extruded at all) and is extremely expensive: 1 g of granulate currently costs around US$10, so that a batch of 20 kg required for extrusion costs around US$240,000, which, with an achievable extrusion length of 1000 to 2000 m depending on the thickness of the sheath, results in a price per meter of around US$100.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Beleuchtungsgerät zu schaffen, das kostengünstig und bequem handzuhaben ist und eine sehr gute Ausnutzung der von der Lichtquelle abgegebenen Strahlung gewährleistet.The invention is based on the object of creating a lighting device that is cost-effective and easy to handle and ensures very good utilization of the radiation emitted by the light source.
Es hat sich gezeigt, daß eine geeignete Lichtquelle in Kombination mit einem Lichtleiter, der einen flüssigkeitsgefüllten Schlauch aus einem Fluorcarbonpolymer enthält und bei dem eine sehr dünne Innenbeschichtung des schlauchförmigen Mantels des Flüssigkeitslichtleiters mit Teflon AF, welches in den Modifikationen AFl600 mit einem Brechungsindex n=l,31, oder AF2000 mit n=l,30 oder AF2400 mit n=l,29 von der weltbekannten Firma Dupont lieferbar ist, mit einer außerordentlich geringen Schichtdicke in der Größenordnung von ca. 3 um, also größenordnungsmäßig eines kleinen Vielfachen der Wellenlänge des zu leitenden Lichts vorgesehen ist, nicht nur zu ganz erheblichen Einsparungen bei den Herstellungskosten führt, sondern überraschenderweise auch die Transmission des Lichtleiters und damit den optischen Wirkungsgrad des Beleuchtungsgerätes verbessert. Insbesondere ergeben sich beim Biegen des Lichtleiters erheblich geringere Transmissionsverluste, was von großer praktischer Bedeutung ist, weil ein Lichtleiter eines Beleuchtungsgerätes bei seiner Handhabung, beispielsweise als Sonde oder im zahnärztlichen Anwendungsbereich, häufig stark gekrümmt wird, wobei Lichteinbußen natürlich unerwünscht sind.It has been shown that a suitable light source in combination with a light guide that contains a liquid-filled tube made of a fluorocarbon polymer and in which a very thin inner coating of the tubular jacket of the liquid light guide with Teflon AF, which is available in the modifications AFl600 with a refractive index n=1.31, or AF2000 with n=1.30 or AF2400 with n=1.29 from the world-famous company Dupont, with an extraordinarily small layer thickness in the order of approx. 3 µm, i.e. in the order of a small multiple of the wavelength of the light to be guided, not only leads to very considerable savings in the manufacturing costs, but surprisingly also improves the transmission of the light guide and thus the optical efficiency of the lighting device. In particular, bending the light guide results in significantly lower transmission losses, which is of great practical importance because a light guide of a lighting device is often strongly bent during handling, for example as a probe or in dental applications, whereby light losses are of course undesirable.
Die erfindungsgemäße Innenbeschichtung erlaubt auch eineThe inner coating according to the invention also allows
wesentlich größere Freiheit bei der Auswahl des biegsamen Schlauchmaterials als beim oben angeführten Stand der Technik, da der Schlauch selbst nur als Substrat für die Teflonschicht dienen muß. Bevorzugt werden als Substratmaterial für die Teflon-AF-Schicht Fluorkohlenstoff-Polymere mit niedrigem Brechungsindex (um n=l,35), damit bei eventuellen Fehlern der Innenschicht und einem unmittelbaren Kontakt der Lichtleiterflüssigkeit mit dem Schlauchmaterial ein möglichst geringes Lichtleck auftritt (es wird also eine möglichst große Differenz zwischen den Brechungsindizes &eegr; von Lichtleiterflüssigkeit und Substratmaterial des Mantels angestrebt). Bevorzugte Substratmaterialien sind das Terpolymer Hostafion TFB(Wz) der Firma Hoechst oder die Teflone FEP, PTFE, PFA mit den nachstehenden Strukturformeln, oder TEFZEL ETFE(WZ) der Firma Dupont oder PCTFE (Polychlortrifluorethylen oder PVDF (3M).much greater freedom in the selection of the flexible hose material than in the above-mentioned prior art, since the hose itself only has to serve as a substrate for the Teflon layer. Fluorocarbon polymers with a low refractive index (around n=1.35) are preferred as the substrate material for the Teflon AF layer, so that in the event of any defects in the inner layer and direct contact between the optical fiber fluid and the hose material, the light leakage is as low as possible (the aim is therefore to achieve the greatest possible difference between the refractive indices η of the optical fiber fluid and the substrate material of the jacket). Preferred substrate materials are the terpolymer Hostafion TFB (Wz) from Hoechst or the Teflon FEP, PTFE, PFA with the following structural formulas, or TEFZEL ETFE (WZ) from Dupont or PCTFE (polychlorotrifluoroethylene or PVDF (3M).
I I --C C--I I --C C--
"TeCIon" PTFE"TeCIon" PTFE
N--(
N
I
-C
S. F
I
-C
p.
- = F
-
F
• :-
F
•
Teflon· F£PTeflon· F£P
F—C—FF—C—F
! T C-! T C-
F
I F
I
■c-■c-
-c-f--c-f-
PFAPFA
F—C FF—C F
F-C—FF-C—F
F—&Ogr; FF—&Ogr; F
F ·F ·
Als Lichtleiterflüssigkeiten eignen sich bevorzugt GlykoleGlycols are preferred as optical fiber fluids
wie Monoethylen-, Diethylen-, Triethylen- und Tetraethylen-Glykol und Mischungen hiervon, die einen hohen Brechungsindex haben, der wesentlich höher ist, als der des erfindungsgemäßen Schichtmaterials, um möglichst gute Totalreflexionseigenschaften zu ergeben. Da die Schlauchmaterialien jedoch nicht völlig wasserdampfdicht sind, kann im Laufe der Zeit in Umgebungen hoher Luftfeuchte Wasserdampf durch den Schlauch in die Flüssigkeit eindiffundieren und den Innendruck unerwünscht erhöhen. Setzt man den Glykolen jedoch von vornherein etwas Wasser zu, so verringert sich der Dampfdruckunterschied entsprechend, so daß nur weniger Wasserdampf in das Schlauchinnere hineindiffundiert und den Innendruck weniger stark erhöht. Damit läßt sich die Gefahr verringern, daß die als Lichtfenster dienenden, in den Enden des Lichtleitermantels steckenden Quarz- oder Glasstöpsel herausgedrückt werden. Jedoch kommt man bei den üblichen Schlauchmaterialien für den Lichtleitermantel bei 8% Wasserzusatz an eine Grenze, bei welcher die Differenz zwischen den Brechungsindizes zu gering wird. Die erfindungsgemäße Innenschicht enthält jedoch die Reserven für diesen Differenzbereich, so daß höhere Wasserzusätze möglich sind und die unerwünschte Diffusion von Wasserdampf von der Umgebung in den Schlauch hinein noch weiter verringert werden kann. Wasserzusätze von mindestens etwa 6 bis 7% bis zu 10%, 15%, 20% oder 3 0% zu Triethylenglykol und anderen Glykolen haben sich diesbezüglich bewährt; die dadurch bewirkte Herabsetzung des Brechungsindex kann hier in Kauf genommen werden.such as monoethylene, diethylene, triethylene and tetraethylene glycol and mixtures thereof, which have a high refractive index that is significantly higher than that of the layer material according to the invention, in order to provide the best possible total reflection properties. However, since the hose materials are not completely water vapor-tight, over time in environments with high humidity, water vapor can diffuse through the hose into the liquid and undesirably increase the internal pressure. However, if a little water is added to the glycols from the outset, the vapor pressure difference is reduced accordingly, so that less water vapor diffuses into the interior of the hose and increases the internal pressure less. This reduces the risk of the quartz or glass plugs that serve as light windows and are inserted into the ends of the light guide jacket being pushed out. However, with the usual hose materials for the optical fiber jacket, at 8% water addition, a limit is reached at which the difference between the refractive indices becomes too small. However, the inner layer according to the invention contains the reserves for this difference range, so that higher water additions are possible and the undesirable diffusion of water vapor from the environment into the hose can be reduced even further. Water additions of at least about 6 to 7% up to 10%, 15%, 20% or 30% to triethylene glycol and other glycols have proven effective in this regard; the resulting reduction in the refractive index can be accepted here.
Außerdem lassen sich bei einer Glykol-Wasser-Mischung frostsichere Lichtleiter herstellen, was für wintersichere Anwendungen im Freien von großer Bedeutung ist. Die durch die erfindungsgemäße Innenschicht erreichte größere Reserve der. Brechungsindexdifferenz läßt sogar bei reinem Wasser als Lichtleiterflüssigkeit einen Lichtleitereffekt zu, insbesondere wenn man Teflon AF 2400, also das AF-Material mit der höchsten Glastemperatur und dem niedrigsten Brechungs-In addition, frost-proof light guides can be produced using a glycol-water mixture, which is of great importance for winter-proof outdoor applications. The greater reserve of the refractive index difference achieved by the inner layer according to the invention allows a light guide effect even with pure water as the light guide fluid, especially if Teflon AF 2400 is used, i.e. the AF material with the highest glass transition temperature and the lowest refractive index.
index von n=l,29 verwendet, das allerdings in der Aufbringung als Schicht etwas aufwendiger ist. Auch eine physiologische Kochsalzlösung bewährt sich bei einer solchen Beschichtung eines aus der oben erwähnten DE-A-4 0 24 445 bekannten einseitig offenen Mantels.index of n=1.29 is used, which is however somewhat more complex to apply as a layer. A physiological saline solution has also proven to be useful for such a coating of a jacket that is open on one side, as is known from the above-mentioned DE-A-4 0 24 445.
Als gut geeignete lichtleitende Flüssigkeiten sei auch auf wässrige Lösungen von Salzen wie Alkali- und Erdalkalihalogeniden, speziell Chloriden und Fluoriden, hingewiesen, z.B.Aqueous solutions of salts such as alkali and alkaline earth halides, especially chlorides and fluorides, are also suitable light-conducting liquids, e.g.
CaCl2 Lösungen mit &eegr; _< 1,45CaCl 2 solutions with &eegr;_< 1.45
KF Lösungen mit &eegr; _< 1, 4KF solutions with &eegr; _< 1, 4
CsF Lösungen mit &eegr; £ 1,42CsF solutions with &eegr; £ 1.42
NaCl Lösungen mit &eegr; _< 1,40,NaCl solutions with &eegr; _< 1.40,
wobei die Fluoridlösungen beständiger gegen kurzwellige Strahlung (UVB) sind als die Chloridlösungen, von denen die Natriumchloridlösung als physiologische Kochsalzlösung Bedeutung bei medizinischen Lichtleiteranwendungen hat. Gut geeignet sind ferner Phosphatlösungen wieFluoride solutions are more resistant to short-wave radiation (UVB) than chloride solutions, of which sodium chloride solution is important as a physiological saline solution in medical light guide applications. Phosphate solutions such as
p Lösungen mit &eegr; _< 1,42 Na3HPO4 Lösungen mit &eegr; _< 1,42 NaH2PO. Lösungen mit &eegr; _< 1,42,p Solutions with &eegr;_< 1,42 Na 3 HPO 4 Solutions with &eegr;_< 1,42 NaH 2 PO. Solutions with &eegr;_< 1,42,
die ebenfalls beständiger gegen kurzwellige Strahlung (UVB) als Chloridlösungen sind. Chloridlösungen eignen sich jedoch gut für die Transmission von UVA-Strahlung. Kurzwellige Strahlung wird speziell von Excimer-Lasern und Hg-Hochdrucklampen geliefert, deren Strahlung zum Zersetzen der chlorhaltigen Verbindungen neigt, wodurch sich die Transmission des Lichtleiters verschlechtert. Die oben genannten Lösungen werden üblicherweise hochkonzentriert angewandt, um möglichst hohe Brechungsindizes für die Lichtleiterflüssigkeit zu erreichen.which are also more resistant to short-wave radiation (UVB) than chloride solutions. However, chloride solutions are well suited to the transmission of UVA radiation. Short-wave radiation is provided in particular by excimer lasers and high-pressure mercury lamps, whose radiation tends to decompose the chlorine-containing compounds, thereby reducing the transmission of the light guide. The above solutions are usually used in highly concentrated form in order to achieve the highest possible refractive indices for the light guide fluid.
Für die übertragung von Nah-Infrarot-Strahlung eignet sich besonders eine Kombination von FEP-Schlauch, AF 1600 Innenschicht und einem Poly-Chlortrifluorethylen-Öl (PCTFE-Öl) mit der FormelFor the transmission of near infrared radiation, a combination of FEP tubing, AF 1600 inner layer and a polychlorotrifluoroethylene oil (PCTFE oil) with the formula
ClCl
und einem Brechungsindex bis etwa 1,40 oder 1,41; dies ergibt brauchbare Akzeptanzwinkel von etwa 60°.and a refractive index of up to about 1.40 or 1.41; this gives usable acceptance angles of about 60°.
Die drei erwähnten Modifikationen des für die erfindungsgemäße Schicht verwendeten Teflons AF 16 00, AF 2000 und AF 2400 haben unterschiedliche Glastemperaturen von 1600C, 2000C bzw. 2400C, entsprechend den Modifikationsbezeichnungen. Teflon AF 1600 löst sich in aus fluorierten Kohlenwasserstoffen bestehenden Flüssigkeiten bis zu 6 Gew.-%, Teflon AF 2 40 0 nur bis zu 2 Gew.-%. Die dreimal höhere Lösbarkeit des erstgenannten Schichtmaterials erlaubt eine leichtere Aufbringung der erfindungsgemäßen Schicht, da sich diese bei einem höheren Anteil schneller aufbaut.The three mentioned modifications of the Teflon AF 16 00, AF 2000 and AF 2400 used for the layer according to the invention have different glass transition temperatures of 160 0 C, 200 0 C and 240 0 C respectively, according to the modification designations. Teflon AF 1600 dissolves in liquids consisting of fluorinated hydrocarbons up to 6 wt.%, Teflon AF 2 40 0 only up to 2 wt.%. The three times higher solubility of the first-mentioned layer material allows easier application of the layer according to the invention, since it builds up more quickly with a higher proportion.
Die wegen ihrer Beständigkeit gegen kurzwellige Strahlung (UVB) im Vergleich mit Chloriden beständigeren Fluorid- und Phosphatlösungen haben einen relativ niedrigen Brechungsindex und eignen sich daher nicht so gut bei üblichen Schlauch materialien. Erst durch die erfindungsgemäße Innenschicht werden auch diese Lösungen als Lichtleiterflüssigkeiten interessant und ergeben brauchbare Transmissionen, vor allem im UVB-Bereich (280nm <&Lgr;.< 330nm) . --—Fluoride and phosphate solutions, which are more resistant to short-wave radiation (UVB) than chlorides, have a relatively low refractive index and are therefore not as suitable for conventional tube materials. It is only through the inner layer according to the invention that these solutions become interesting as light guide fluids and produce usable transmissions, especially in the UVB range (280nm <λ.< 330nm). --—
Die Aufbringung der erfindungsgemäßen Schicht kann durch Aufbringen einer Lösung von Teflon AF-Pulver erfolgen. Es hat sich völlig überraschenderweise gezeigt, daß man dabeiThe application of the layer according to the invention can be carried out by applying a solution of Teflon AF powder. It has been shown, quite surprisingly, that
eine sehr stabile Haftung der Teflon AF-Schicht an der Schlauchinnenseite von Fluorkohlenstoffpolymeren erreichen kann, was keineswegs zu erwarten war, da Fluorkohlenstoffpolymere bekanntermaßen sehr schlechte Hafteigenschaften (dagegen sehr gute Gleiteigenschaften) haben. Diese gute Haftung bleibt auch bei Benetzung mit den genannten Lichtleiterflüssigkeiten bestehen und verschlechtert sich selbst bei häufigen starken Biegungen des Lichtleiters nicht, was für eine lange Lebensdauer von hoher Bedeutung ist. Die Haftfähigkeit der Schicht an den Schlauchmateri alien ist so gut, daß selbst beim strammen Einpassen der Fensterstöpsel in die Schlauchenden die Schicht nicht beschädigt wird oder sich ablöst. Die erfindungsgemäße Schicht verbessert sogar noch den Sitz der Fensterstöpsel in den Schlauchenden, so daß die Gefahr eines Herausdrückens bei ansteigendem Innendruck herabgesetzt wird. Diese erstaunlich gute und sichere Haftung ist ein großer Vorteil bei Mantelmaterialien aus Fluorkohlenstoffen, wie vor allem Teflon FEP mit einem Brechungsindex von n=l,34, und Hostafion TFB mit einem Brechungsindex von 1,36, sowie Teflonen PTFE (n=l,34), Teflon PFA (n=l,34) und Teflon ETFE (n=l,42), sowie PCTFE und PVDF. Sollte die Verbindung der erfindungsgemäßen Teflon AF-Schicht mit der Innenseite des Mantels aus solchen Materialien stellenweise nicht ganz perfekt sein, so lassen sich die Lichtverluste an solchen Stellen bei Lichtleiterflüssigkeiten mit &eegr; > 1,4 dennoch gering halten, so daß keine nennenswerten Transmissionsexnbußen zu befürchten sind.a very stable adhesion of the Teflon AF layer to the inside of the tube of fluorocarbon polymers can be achieved, which was not to be expected at all, since fluorocarbon polymers are known to have very poor adhesion properties (but very good sliding properties). This good adhesion remains even when wetted with the above-mentioned optical fiber fluids and does not deteriorate even when the optical fiber is frequently bent sharply, which is of great importance for a long service life. The adhesion of the layer to the tube materials is so good that even when the window plugs are fitted tightly into the tube ends, the layer is not damaged or comes off. The layer according to the invention even improves the fit of the window plugs in the tube ends, so that the risk of them being pushed out when the internal pressure increases is reduced. This astonishingly good and secure adhesion is a great advantage for sheath materials made of fluorocarbons, such as Teflon FEP with a refractive index of n=1.34 and Hostafion TFB with a refractive index of 1.36, as well as Teflon PTFE (n=1.34), Teflon PFA (n=1.34) and Teflon ETFE (n=1.42), as well as PCTFE and PVDF. If the bond between the Teflon AF layer according to the invention and the inside of the sheath made of such materials is not quite perfect in places, the light losses in such places can still be kept low with light guide fluids with η > 1.4, so that no significant transmission losses need to be feared.
In der einzigen beiliegenden Zeichnung ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht.The invention is illustrated by means of an embodiment in the only accompanying drawing.
Das in der Zeichnung stark vereinfacht dargestellte ~ Beleuchtungsgerät enthält eine Lichtquelle 10, einen Kondensor 12 mit drei Linsen aus Quarz, die mit einer für 3 65 nm bemessenen Antireflex-Schicht vergütet sind, ein Lichtfilter 14 und einen Lichtleiter 16.The lighting device shown in the drawing in a highly simplified form contains a light source 10, a condenser 12 with three lenses made of quartz, which are coated with an anti-reflective layer designed for 3 65 nm, a light filter 14 and a light guide 16.
Die Lichtquelle 10 enthält bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine 2 00W-Hg-Höchstdrucklampe 18, Typ HBO200 mit einem konkaven, sphärischen Reflektor 20.In the embodiment shown, the light source 10 contains a 200W Hg ultra-high pressure lamp 18, type HBO200 with a concave, spherical reflector 20.
Die Lichtquelle kann auch eine andere Gas- oder Dampfentladungslampe, z.B. eine Xenon-Hochdrucklampe enthalten oder auch eine Wolfram-Halogen-Glühlampe. Das Lichtfilter ist ein ionenplattiertes Dünnschicht- Filter, das langwellige Strahlung, d.h. langwelligeres sichtbares Licht und nahes Infrarot, reflektiert.The light source can also contain another gas or vapor discharge lamp, e.g. a xenon high-pressure lamp or a tungsten halogen lamp. The light filter is an ion-plated thin-film filter that reflects long-wave radiation, i.e. longer-wave visible light and near infrared.
Der spektrale Durchlaßbereich des Lichtfilters hängt von der Anwendung der Beleuchtungseinrichtung ab. Bei Polymerisationsgeräten für industrielle Kleber und für Dentalkunststoffe wird z.B. Strahlung im UVA-Bereich (ca. 330 bis 380 nm) oder im UVA-Bereich zuzüglich des blauen Spektralbereiches (ca. 330 bis 480 nm) oder ÜVB+ÜVA+blau (ca. 280-480 nm) benötigt. Solche Durchlaßbereiche lassen sich mit Dünnschicht-Interferenzfiltern realisieren.The spectral transmission range of the light filter depends on the application of the lighting device. For example, in polymerization devices for industrial adhesives and for dental plastics, radiation in the UVA range (approx. 330 to 380 nm) or in the UVA range plus the blue spectral range (approx. 330 to 480 nm) or UVB+UVB+blue (approx. 280-480 nm) is required. Such transmission ranges can be realized with thin-film interference filters.
Der Flüssigkeitsleiter enthält einen flexiblen schlauchförmigen Mantel 21 aus einem Fluorkohlenstoffpolymer der oben erläuterten Art. Dieser Mantel kann eine dem jeweiligen Anwendungszweck geeignete Dicke, &zgr;. B. 0,5 mm haben und dient als Substrat für eine erfindungsgemäße dünne Schicht 22, mit welcher die Innenseite des Mantels 21 ausgekleidet ist. Das Innere des so aufgebauten Schlauches ist mit einer lichtleitenden Flüssigkeit 23 gefüllt und beiderseitig mit Quarz- oder Glasstöpseln 24 verschlossen, die zweckmäßigerweise durch eine hier nicht dargestellte mechanische Dichtung mit dem Mantel 21 fest verbunden werden.The liquid conductor contains a flexible tubular jacket 21 made of a fluorocarbon polymer of the type explained above. This jacket can have a thickness suitable for the respective application, e.g. 0.5 mm, and serves as a substrate for a thin layer 22 according to the invention, with which the inside of the jacket 21 is lined. The interior of the tube constructed in this way is filled with a light-conducting liquid 23 and closed on both sides with quartz or glass plugs 24, which are expediently firmly connected to the jacket 21 by a mechanical seal not shown here.
Stellt man die Schicht 22 aus Teflon AF 2400 her, das einenrelativ niedrigen Brechungsindex von &eegr; = 1,2 9 hat,so kann man wegen der Reserve hinsichtlich der Brechungskoeffizientendifferenz eine lichtleitende Flüssigkeit 23 mit niedrigem Brechungsindex, wie eine Fluorid- oder Phosphatlösung,If the layer 22 is made of Teflon AF 2400, which has a relatively low refractive index of η = 1.2 9, then due to the reserve with regard to the refractive index difference, a light-conducting liquid 23 with a low refractive index, such as a fluoride or phosphate solution, can be used.
verwenden, die eine gute Beständigkeit gegen kurzwelliges Licht, z.B. UVB-Licht (280 nm <A< 320 nm) hat. Auch können chloridhaltige Lösungen mit einem niedrigeren Chloridgehalt verwendet werden, bei denen bei kurzwelliger Strahlung nur entsprechend weniger Chlorid zersetzt werden kann und die Transmission sich nur dementsprechend wenig verschlechtert.use a solution that has good resistance to short-wave light, e.g. UVB light (280 nm <A< 320 nm). Chloride-containing solutions with a lower chloride content can also be used, in which only a correspondingly smaller amount of chloride can be broken down by short-wave radiation and the transmission deteriorates only slightly.
Im folgenden seien einige Ergebnisse von über viele Monate verlaufenden Versuchen angegeben. Insbesondere wurden schlauchförmige Mäntel 21 aus Teflon FEP und Hostafion TFB mit einer dünnen Schicht 22 von <5ym insbesondere 3 &mgr;&pgr;&igr; sowohl aus Teflon AF 2400 wie auch aus Teflon AF 1600 beschichtet und mit verschiedenen lichtleitenden Flüssigkeiten 23 gefüllt. Dabei zeigte es sich, daß insbesondere Schichten aus Teflon AF 1600 besonders gute Resultate brachten hinsichtlich Verbesserung der Transmission, also geringere Lichtverluste, Erhöhung der numerischen Apertur, wodurch sich die Lichteinkoppelung in den Lichtleiter leichter gestaltet, Verringerung der Transmissionsverluste beim Biegen der Lichtleiter und Güte der Haftung der Schicht 22 auf dem Substratmantel 21.The following are some results from tests that lasted for many months. In particular, tubular jackets 21 made of Teflon FEP and Hostafion TFB were coated with a thin layer 22 of <5μm, in particular 3 μιγ, made of both Teflon AF 2400 and Teflon AF 1600 and filled with various light-conducting liquids 23. It was found that layers made of Teflon AF 1600 in particular produced particularly good results in terms of improving transmission, i.e. lower light losses, increasing the numerical aperture, which makes it easier to couple light into the light guide, reducing transmission losses when bending the light guide and the quality of the adhesion of the layer 22 to the substrate jacket 21.
Obwohl sich das Teflon AF 2400 weniger gut verarbeiten läßt, ließen sich auch damit Schichten 22 ausbilden, wobei sich Lichtleiter herstellen ließen, deren lichtleitende Flüssigkeit aus reinstem Wasser besteht.Although Teflon AF 2400 is less easy to process, it can still be used to form layers 22, making it possible to produce light guides whose light-conducting liquid consists of the purest water.
Auch bei Langzeitversuchen solcher Lichtleiter mit einem Mantel 21 aus Fluorkohlenstoff-Polymeren und einer Schicht 22 aus Teflon AF konnte gezeigt werden, daß nach mehr als einem halben Jahr keinerlei Ablösungserscheinungen der Schicht 22 vom Mantel 21 zu beobachten war. Die gleichbleibende Transmission der Lichtleiter sowie die bleibende-Unabhängigkeit der Transmission von scharfen Krümmungen der Lichtleiter sind ein Beweis für die Beständigkeit und Haltbarkeit der Schicht auch unter Einfluß der sie benetzenden lichtleitenden Flüssigkeiten. Auch nach Funktions-Long-term tests of such light guides with a jacket 21 made of fluorocarbon polymers and a layer 22 made of Teflon AF also showed that after more than half a year no signs of detachment of the layer 22 from the jacket 21 could be observed. The consistent transmission of the light guides and the continued independence of the transmission from sharp bends in the light guides are proof of the stability and durability of the layer, even under the influence of the light-conducting liquids that wet it. Even after functional testing,
testen mit einfokussierter Strahlung von 150 Watt-Halogenstrahlern, 200 Watt-Hg-Höchstdruckstrahlern und 250 Watt-HTI-Lampen über mehrere 100 Stunden zeigten kein Nachlassen der Transmission, also keine Beeinträchtigung der Schicht 22 selbst bei diesen Energiebelastungen. Auch Biegeversuche von mehreren tausend Biegungen führten nicht zu Schichtbeschädigungen oder gar zu einer Schichtablösung vom Substrat. Die Haftung der Schicht 22 auf dem Substrat des Mantels 21 ist so gut, daß sich die Schicht selbst beim Eindrücken der eng sitzenden zylinderförmigen Quarzstöpsel 24, welche die Ein- und Austrittsfenster für das Licht bilden, in den Lichtleiterschlauch nicht ablöste.Tests with focused radiation from 150 watt halogen lamps, 200 watt Hg high pressure lamps and 250 watt HTI lamps over several hundred hours showed no reduction in transmission, i.e. no impairment of layer 22 even with these energy loads. Even bending tests involving several thousand bends did not lead to damage to the layer or even to a detachment of the layer from the substrate. The adhesion of layer 22 to the substrate of the jacket 21 is so good that the layer did not detach even when the tightly fitting cylindrical quartz plugs 24, which form the entry and exit windows for the light, were pressed into the light guide tube.
Abgesehen von dem Sonderfall des Wasser-Lichtleiters, für den AF 2400 benötigt wird, ist eine Beschicht&mgr;ng eines Mantels aus FEP-Material mit Teflon AF 1600 besonders wirkungsvoll, namentlich im Zusammenhang mit den gebräuchlichen Lichtleiterflüssigkeiten (Salzlösungen, inbesondere CaClp-Lösung, Glykole), deren Brechungsindizes sich nicht wesentlich über n=l,45 steigern lassen. Durch die Teflon-AF -Innenschicht wird die Transmission des Lichtleiters, vor allem in dessen gebogenem Zustand, um bis zu 25% erhöht, da Teflon AF - im Gegensatz zu der geringfügig kristallinen Struktur von FEP - eine glasige Struktur hat und damit bei der Totalreflexion weniger Streuverluste ergibt. Dieser Vorteil ergibt sich auch in mehr oder weniger ausgeprägtem Maße bei den anderen Schlauchmaterialien.Apart from the special case of the water light guide, for which AF 2400 is required, coating a sheath made of FEP material with Teflon AF 1600 is particularly effective, especially in connection with the usual light guide liquids (salt solutions, in particular CaClp solution, glycols), whose refractive indices cannot be increased significantly above n=1.45. The Teflon AF inner layer increases the transmission of the light guide, especially in its bent state, by up to 25%, since Teflon AF - in contrast to the slightly crystalline structure of FEP - has a glassy structure and thus results in less scattering losses during total reflection. This advantage also applies to the other tube materials to a greater or lesser extent.
Da TFB-Material einen gegenüber Teflon FEP höheren optischen Brechungsindex von 1,3 6 hat, kann durch Beschichtung mit Teflon AF 1600 der wirksame Brechungsindex des optisch dünneren Mantel-Mediums um 5/100 heruntergedrückt werden. Bei Verwendung einer lichtleitenden Flüssigkeit mit n=l,45" erhöht sich damit der totale Aperturwinkel für den einfallenden Lichtstrahl von 60° auf 80°, und die Biegeverluste reduzieren sich bei einem Lichtleiter mit 5 mm aktivem Durchmesser bei Krümmung mit R = 7 cm von 15% auf unter 5%.Since TFB material has a higher optical refractive index of 1.3 6 than Teflon FEP, the effective refractive index of the optically thinner cladding medium can be reduced by 5/100 by coating it with Teflon AF 1600. When using a light-conducting liquid with n=1.45", the total aperture angle for the incident light beam increases from 60° to 80°, and the bending losses are reduced from 15% to less than 5% for a light guide with 5 mm active diameter and curvature with R = 7 cm.
11
Beispiel 1: Wasser-Lichtleiter11
Example 1: Water light guide
Lichtleitende Flüssigkeit 23: deionisiertes hochreines Wasser n=l,33. Schlauch: AF 2400 als dünne Schicht 22 aufgebracht auf dieLight-conducting liquid 23: deionized high-purity water n=1.33. Tube: AF 2400 as a thin layer 22 applied to the
Innenseite eines Mantels 21 aus FE-P-Material. Länge 150 cm, 0. = 5 mm, 0 = 6 mmInside of a jacket 21 made of FE - P material. Length 150 cm, 0. = 5 mm, 0 = 6 mm
1 3. 1 3.
2 Quarzstöpsel SiO2 mit jeweils 20 mm Länge Dicke der Schicht 22 ca. 2um. 2 quartz plugs SiO 2 each 20 mm long, thickness of layer 22 approx. 2 μm.
Die Transmission des Lichtleiters beiA=43 0 nm und einem Lichteinfallkegel mit 60° Öffnung betrug : T = 22% (die Apertur des Lichtleiters beträgt nur 3 6°). Bei einem Lichteinfallkegel mit nur 10° Öffnung erhöht sich die Transmission auf 60%. Im Falle eines Excimer-Lasers (XeCl) , als Lichtquelle 10 mit/\-=308 nm lag die Transmission bei 60%. Der Lichtleiter war bei diesen Messungen ü-förmig mit einem Radius von R = 30 cm gebogen. Wegen des geringen Unterschiedes der Brechzahl zwischen Kern aus lichtleitender Flüssigkeit 23 und Schicht 22 (^n = 3/100 - 4/100) eignet sich dieser Wasser-Lichtleiter vor allem für Strahlungsquellen mit sehr niedriger Lichteinfalldivergenz, also für Laserstrahlung, vorzugsweise UV-Laserstrahlung eines Excimer-Lasers mit Emission bei =3 08 nm (XeCl), da H„O eine hervorragende UV-Transmission aufweist. Als Laser-Lichtleiter sollte der aktive Durchmesser des Wasser-Lichtleiters wegen der Minimierung der Biegeverluste kleiner als 5 mm, z.B. 2 mm oder 1 mm, sein. Der Substrat-Mantel 1 hat vorzugsweise einen Innendurchmesser 0. von 2 mm und einen Außendurchmesser 0 von 4 mm und kann aus FEP-, PTFE-, PFA-,The transmission of the light guide at A=430 nm and a light incidence cone with a 60° opening was: T = 22% (the aperture of the light guide is only 36°). With a light incidence cone with a 10° opening only, the transmission increases to 60%. In the case of an excimer laser (XeCl) as a light source 10 with /\-=308 nm, the transmission was 60%. The light guide was bent in a U-shape with a radius of R = 30 cm in these measurements. Due to the small difference in the refractive index between the core of light-conducting liquid 23 and layer 22 (^n = 3/100 - 4/100), this water light guide is particularly suitable for radiation sources with very low light incidence divergence, i.e. for laser radiation, preferably UV laser radiation from an excimer laser with emission at =3 08 nm (XeCl), since H„O has an excellent UV transmission. As a laser light guide, the active diameter of the water light guide should be less than 5 mm, e.g. 2 mm or 1 mm, in order to minimize bending losses. The substrate jacket 1 preferably has an inner diameter 0 of 2 mm and an outer diameter 0 of 4 mm and can be made of FEP, PTFE, PFA,
elel
ETFE- oder TFB- Material bestehen. Dieser oben beschriebene Wasser-Lichtleiter mit FEP-Substratmaterial hat als geschlossenes System seine Transmission über einen Zeitraum von bisher 5 Monaten exakt gehalten. (Da wegen der Permeabilität der Schlauchwand für H„O Dampf die Gefahr einer Diffusion von H„O Dampf aus dem Schlauchinneren nach außen besteht, ist eine dickere Wandung von z.B. 1 mm für Wasser-Lichtleiter günstig.)ETFE or TFB material. This water light guide with FEP substrate material described above has maintained its transmission precisely over a period of 5 months as a closed system. (Because the permeability of the hose wall for H„O vapor means there is a risk of H„O vapor diffusing from the inside of the hose to the outside, a thicker wall of e.g. 1 mm is advantageous for water light guides.)
12
Beispiel 2:12
Example 2:
Lichtleiter mit einem Kern aus lichtleitender Flüssigkeit 23 Triethylenglykol mit 8% H„0 Zusatz (n=l,45), einem Mantel 21 aus Fluorkohlenstoff Terpolymer TFB, 1 = 230 cm, 0. = 5 mm, 0 = 6 mm und einer inneren Schicht 22 aus AF 1600 (n = 1,31),Light guide with a core made of light-conducting liquid 23 triethylene glycol with 8% H„0 additive (n=1.45), a jacket 21 made of fluorocarbon terpolymer TFB, 1 = 230 cm, 0. = 5 mm, 0 = 6 mm and an inner layer 22 made of AF 1600 (n = 1.31),
einer Dicke d _>. ll·11*1 un<^ mit beiderseits durch Quarzglasstopfen verschlossenen Enden.a thickness d _>. ll· 11 * 1 un< ^ with ends closed on both sides by quartz glass stoppers.
Die Transmissionsmessung erfolgte mit blauem Lichte= 430 nm bei einem Lichteinfallskegelwinkel von 60° und ergab für 10 gemessene Lichtleiter mit AF 1600 Schicht 22 einen Transmissionsmittelwert von 79,3%. Die Biegeverluste wurden bei 2-fach um einen Kreiszylinder mit R = 7 cm herumgewickelten Lichtleiter gemessen und ergaben eine Verminderung der Transmission um nur 3% auf 76%. Die Messung von 10 Kontroll-. Licht leitern unter gleichen Bedingungen, aber ohne die AF 1600- Schicht 22, ergab einen Mittelwert für die Transmission von 72,5% und beim Biegeversuch von 64%. Der Mittelwert der Transmission des mit AF 1600 beschichteten Lichtleiters ist im schwach gebogenen oder geraden Zustand um 9,4% höher, und im stark gebogenen Zustand um beachtliche 20% höher.The transmission measurement was carried out with blue light = 430 nm at a light incidence cone angle of 60° and resulted in an average transmission value of 79.3% for 10 measured light guides with AF 1600 layer 22. The bending losses were measured for light guides wound twice around a circular cylinder with R = 7 cm and resulted in a reduction in transmission of only 3% to 76%. The measurement of 10 control light guides under the same conditions, but without the AF 1600 layer 22, resulted in an average transmission value of 72.5% and in the bending test of 64%. The average transmission value of the light guide coated with AF 1600 is 9.4% higher in the slightly bent or straight state, and a considerable 20% higher in the strongly bent state.
Durch die Erfindung wird also ein Beleuchtungsgerät geschaffen, das eine Lichtquelle und einen Flüssigkeitslichtleiter enthält. Der Flüssigkeitslichleiter hat einen schlauchförmigen flexiblen Mantel aus Fluorkohlenstoffpolymermaterial, der mit einer lichtleitenden Flüssigkeit, wie Glykol, einer chlorid-, fluorid- oder phosphathaltigen Salzlösung Phenyl-Methyl-Siliconöl (n ca. 1,57), PCTFE-Öl, Polychlortrifluorethylen-Öl (n ca. 1.40) oder auch reinem Wasser gefüllt ist. Der schlauchförmige Mantel ist mit einer dünnen Innenschicht vorzugsweise aus Teflon AF ausgekleidet, deren Brechungsindex niedriger als derjenige des Mantelmaterials ist.The invention therefore provides a lighting device that contains a light source and a liquid light guide. The liquid light guide has a tubular flexible jacket made of fluorocarbon polymer material, which is filled with a light-conducting liquid such as glycol, a chloride-, fluoride- or phosphate-containing salt solution, phenyl-methyl-silicone oil (n approx. 1.57), PCTFE oil, polychlorotrifluoroethylene oil (n approx. 1.40) or pure water. The tubular jacket is lined with a thin inner layer, preferably made of Teflon AF, whose refractive index is lower than that of the jacket material.
13 Beispiel 3:13 Example 3:
Schlauchmaterial: Copolymer aus Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen (FEP);Hose material: copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene (FEP);
Schichtmaterial Teflon AF 1600^Wz); Flüssigkeit: Wässrige Calciumchloridlosung, &eegr; = 1,435.Coating material: Teflon AF 1600^ Wz) ; Liquid: Aqueous calcium chloride solution, η = 1.435.
Sonst wie BeispielOtherwise as example
Schlauchmaterial: Copolymer aus Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen (FEP);Hose material: copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene (FEP);
Schichtmaterial Teflon AF 1600Coating material Teflon AF 1600
(Wz)(Wz)
Flüssigkeit: Triethylenglykol mit einem Gehalt von 10 Gew.% Wasser (der Wassergehalt kann zwischen 8 und 15% schwanken)-Sonst wie Beispiel Beispiel 5: Liquid: Triethylene glycol with a content of 10 wt.% water (the water content can vary between 8 and 15%) - Otherwise as Example 5:
Schlauchmaterial: Terpolymer aus Tetrafluorethylen, Hexafluorpropylen und Vinylidenfluorid;Hose material: terpolymer of tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene and vinylidene fluoride;
Schichtmaterial und Flüssigkeit wie bei BeispielLayer material and liquid as in example
Schlauchmaterial und Schichtmaterial wie bei BeispielHose material and layer material as in example
Flüssigkeit: Tetraethylenglykol; Wassergehalt wie bei Beispiel 4.Liquid: tetraethylene glycol; water content as in example 4.
14 Beispiel 7: 14 Example 7:
Schlauchmaterial: Copolymer aus Tetrafluorethylen und Hexafluorpropylen (FEP);Hose material: copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene (FEP);
Schichtmaterial Teflon AF 1600(Wz); Schichtdicke mindestens 3 pm, vorzugsweise 5 &mgr;&pgr;&igr;.Coating material: Teflon AF 1600 (Wz) ; layer thickness at least 3 pm, preferably 5 μιλ.
Flüssigkeit: Polychlortrifluorethylenöl mit der allgemeinen FormelLiquid: Polychlorotrifluoroethylene oil with the general formula
F FF F
! I! I
I I F Cl II F Cl
und einem Brechungsindex von etwa 1,40 bis 1,41. Beispiel 8:and a refractive index of about 1.40 to 1.41. Example 8:
Schlauch- und Schichtmaterial wie bei Beispiel Flüssigkeit: Phenylmethylsiliconöl.Hose and layer material as in example liquid: phenylmethylsilicone oil.
Claims (28)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE9400445U DE9400445U1 (en) | 1994-01-12 | 1994-01-12 | Illumination device with liquid light guide |
Applications Claiming Priority (1)
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DE9400445U DE9400445U1 (en) | 1994-01-12 | 1994-01-12 | Illumination device with liquid light guide |
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DE9400445U1 true DE9400445U1 (en) | 1994-03-03 |
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ID=6903114
Family Applications (1)
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DE (1) | DE9400445U1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5584558A (en) * | 1994-07-11 | 1996-12-17 | Nath; Gunther | Light device having first and second optical systems arranged substantially 90° apart |
EP0759567A2 (en) * | 1995-08-17 | 1997-02-26 | World Precision Instruments, Inc. | Aqueous fluid core waveguide |
DE19508752B4 (en) * | 1995-03-10 | 2010-06-02 | Nath, Günther, Dr. | Lighting device with liquid-filled light guide |
DE19634780B4 (en) * | 1996-08-28 | 2011-07-14 | Nath, Günther, Dr., 82031 | Liquid light guide with MFA hose |
-
1994
- 1994-01-12 DE DE9400445U patent/DE9400445U1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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