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Die Erfindung geht von einer Vorrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen aus. Eine solche Vorrichtung ist aus der
US 6,335,997 bekannt. Sie hat eine elektronisch stabilisierte Lichtquelle und eine Anzahl von Lichtleitfasern oder Lichtleitfaserbündeln, welche mit Abstand nebeneinander angeordnet sind. Den Lichtleitfasern wird Licht der stabilisierten Lichtquelle über ihre Mantelflächen eingestrahlt. Einen Teil des Lichtes geben die Lichtleitfasern bzw. Lichtleitfaserbündel wieder über ihre Mantelfläche ab. Die Endabschnitte der Lichtleitfasern bzw. Lichtleitfaserbündel stecken abgedeckt in Tunneln. Von einem Ende her ist auf die Lichtleitfasern bzw. auf das Lichtleitfaserbündel jeweils eine Schlauchhülle geschoben, welche aus opakem Material besteht. Die unterschiedlichen Lichtleitfasern bzw. Lichtleitfaserbündel tragen unterschiedlich lange Schlauchhüllen. Die Lichtleitfasern bzw. Lichtleitfaserbündel nehmen unterschiedlich viel Licht auf, und zwar um so weniger, je kürzer ihre von der Schlauchhülle freie Länge ist. Über dem Endabschnitt, welcher nicht durch eine Schlauchhülle abgedeckt ist, haben die Tunnel jeweils ein Fenster, durch welches Licht, welches durch die Mantelfläche der Lichtleitfaser wieder austritt, hindurchtritt und beobachtet werden kann.
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Durch Anpassen der Länge der Schlauchabschnitte lassen sich flächig erscheinende Lichtquellen mit unterschiedlichen Intensitäten bilden.
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Solche Lichtquellen werden benötigt, um die zeitliche Stabilität von Lichtmessgeräten zu überprüfen, insbesondere von solchen, die eingesetzt werden, um die Intensität des Lichtes zu bestimmen, welche Proben aussenden, in denen chemische oder biologische Lumineszensreaktionen oder Fluoreszensreaktionen ablaufen. Solche Lichtquellen können extrem niedrige Lichtintensitäten haben. Zum Teil werden einzelne Photonen mit Hilfe von Photoelektronenvervielfachern gemessen.
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Um Lichtmessgeräte (Luminometer) auf ihre zeitliche Stabilität überprüfen zu können, benötigt man Test-Lichtquellen, die einerseits entsprechend niedrige Lichtintensitäten erzeugen können und andererseits hinsichtlich ihrer Intensität und ihres Spektrum über längere Zeit, möglichst über einige Jahre hinweg, stabil sind.
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An die Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit von Lichtmessgeräten für die Bioanalytik werden nicht zuletzt aufgrund gesetzlicher Bestimmungen hohe Ansprüche gestellt. Entsprechend hohe Ansprüche müssen die Test-Lichtquellen erfüllen. Da die Lichtquellen in der Bioanalytik in der Regel flüssige Proben in Küvetten sind, die das Licht isotrop über eine meist kreisförmig begrenzte Oberfläche abstrahlen, ist es wünschenswert, Test-Lichtquellen zu haben, die eine möglichst gleiche Ausdehnung und ein möglichst übereinstimmendes isotropes Abstrahlverhalten wie die Licht aussendenden Proben zeigen.
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Die aus der
US 6,335,997 B1 bekannte Vorrichtung erfüllt diese Anforderungen nicht im gewünschten Ausmaß und ist darüber hinaus verhältnismäßig aufwendig in der Herstellung.
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Bekannt und in der
US 6,335,997 erwähnt sind auch radioaktiv getriebene Lichtquellen. Diese sind jedoch selbst dann, wenn sie sehr schwach sind, aufgrund gesetzlicher Bestimmungen für den Transport sowie für Import und Export nur extrem aufwendig zu handhaben. Proben von einem Mikroplattenformat, wie es für die Bioanalytik erwünscht ist, sind aufgrund ihrer Größe und der geometrischen Bedingungen nur schwierig gemäß den gesetzlichen Vorschriften zu versiegeln.
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Weiterhin sind Test-Lichtquellen bekannt, welche mehrere individuell angesteuerte Leuchtdioden (LEDs) haben, welche in Bohrungen einer Platte angeordnet sind und direkt senkrecht nach oben strahlen. Diese Testlichtquellen strahlen nicht isotrop. Außerdem ist es außerordentlich schwierig, die Lichtintensität von LEDs bei den gewünschten niedrigen Intensitäten zu stabilisieren. Ferner haben LEDs den Nachteil dass ihre optische Geometrie und ihr Abstrahlverhalten sehr unterschiedlich ist zu dem einer flüssigen Probe der Bioanalytik.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung anzugeben, welche sich als Test-Lichtquelle für Lichtmessgeräte eignet, die dazu eingesetzt werden sollen, die Lichtintensität aus Proben zu bestimmen, in denen chemische oder biologische Lumineszenzreaktionen und Fluoreszenzreaktionen ablaufen. Die Vorrichtung soll die vorerwähnten Nachteile nicht aufweisen und insbesondere ein Abstrahlverhalten zeigen, das dem Abstrahlverhalten flüssiger lumineszierender oder fluoreszierender Proben möglichst nahe kommt. Außerdem soll sich die Vorrichtung preiswert herstellen und bequem handhaben lassen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat eine stabilisierte Lichtquelle, einen der Lichtquelle zugeordneten Lichtübertrager, in welchen die stabilisierte Lichtquelle Licht einstrahlt und wenigstens ein Fenster, durch welches ein Teil des eingestrahlten Lichtes wieder austritt. Der Lichtübertrager ist aus einem das eingestrahlte Licht streuenden Material gebildet. Materialien, die eingestrahltes Licht streuen, werden im Gegensatz zu undurchsichtigem Material und im Gegensatz zu durchsichtigem Material als durchscheinend oder opak bezeichnet.
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Die Erfindung hat wesentliche Vorteile:
- • Das durch das Fenster hindurchtretende Licht vermittelt das Bild einer diffusen, flächigen Lichtquelle, vergleichbar der Oberfläche einer flüssigen Probe, welche fluoresziert oder luminesziert.
- • Gestalt und Größe des Fensters können der Gestalt und Größe typischer fluoreszierender oder lumineszierender Proben angepasst sein.
- • Das aus dem Fenster austretende Licht ist infolge der Streuung in dem Lichtübertrager weitgehend isotrop. Auch diese Eigenschaft entspricht dem Verhalten einer lumineszierenden oder fluoreszierenden Probe.
- • Der Lichtübertrager hat eine gewisse Dicke oder Tiefe. Die Streuung des eingestrahlten Lichtes findet überall in dem opaken Material statt. Jeder Punkt des Materials, an welchen ein Photon gestreut wird, ist scheinbar eine Quelle des Photons. Die aus dem Fenster austretenden Photonen kommen aus unterschiedlichen Tiefen des Lichtübertragers. Auch in soweit entspricht das Verhalten des opaken Lichtübertragers dem Verhalten einer Probe einer lumineszierenden oder phosphoreszierenden Flüssigkeit.
- • Der Lichtübertrager kann ein einfacher Festkörper sein, z. B. ein Milchglas oder ein milchiges Acrylglas. Die streuende Eigenschaft kann man durch Beimischung eines trübenden Stoffes erreichen, bei Milchglas z. B. durch Beimischen von phosphorsaurem Kalk, von Fluoriden, von Zinnoxid, Titandioxid oder von Kryolith, Titandioxid ist auch Im Falle von Acrylglas eine geeignete trübende Beimischung. Ihrer Natur nach sind Milchglas und opakes Acrylglas hinreichend beständig und in ihren Eigenschaften langzeitstabil, preiswert und pflegeleicht. Acrylglas ist darüber hinaus besonders leicht mechanisch zu bearbeiten und für Zwecke der Erfindung besonders gut geeignet.
- • Die Intensität der Lichtquelle kann auf unterschiedliche Weise eingestellt werden: Einerseits durch elektronische Steuerung der stabilisierten Lichtquelle und andererseits durch Blenden und durch die Entfernung des wenigstens einen Fensters von der stabilisierten Lichtquelle. Je größer die Entfernung des Fensters von der stabilisierten Lichtquelle ist, umso größer sind die Verluste durch Streuung und Absorption des Lichtes, bevor es das Fenster erreicht.
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Im einfachsten Falle hat die Vorrichtung nur ein einziges Fenster. In diesem Fall ist der Lichtübertrager vorzugsweise stabförmig ausgebildet. Am hinteren Ende des stabförmigen Lichtübertragers kann man die stabilisierte Lichtquelle anordnen und die am gegenüberliegenden vorderen Ende des stabförmigen Lichtübertragers liegende Lichtaustrittsfläche als Fenster verwenden. Die Lichtaustrittsfläche am vorderen Ende des Lichtübertragers kann eine ebene Fläche sein, kann mit Vorteil aber auch eine ballige Fläche sein, welche eine isotrope Intensitätsverteilung des austretenden Lichtes begünstigt und die Geometrie der üblichen Probengefäße nachbildet.
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Über die Wahl der Länge des stabförmigen Lichtübertragers und über die Dichte der streuenden Pigmente lässt sich die Intensität des austretenden Lichtes anpassen.
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Vorzugsweise hat der stabförmige Lichtübertrager eine zylindrische Mantelfläche. Die Mantelfläche ist vorzugsweise von einem lichtundurchlässigen Mantel abgedeckt, insbesondere von einem grauen oder schwarzen Mantel. Er kann zum einen in erwünschter Weise das Licht schwächen und zum anderen eine schärfere Umrandung für die Lichtaustrittsfläche bilden. In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist der Mantel Teil eines stabförmigen Gehäuses, welches einerseits die stabilisierte Lichtquelle und den Lichtübertrager aufnimmt und andererseits – im rückwärtigen Abschnitt des Gehäuses – eine elektronische Stabilisierungsschaltung für die Lichtquelle aufnimmt. Die Stabilisierungsschaltung enthält als Stromquelle vorzugsweise eine Batterie, welche, wenn sie zur Neige geht, einfach ausgetauscht werden kann. Am hinteren Ende des Gehäuses kann eine Einschalttaste angeordnet sein, mit welcher die Lichtquelle bequem ein- und ausgeschaltet werden kann.
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Als Lichtquelle eignet sich besonders eine Leuchtdiode, deren Farbe entsprechend dem Einsatzzweck gewählt werden kann. Bevorzugt sind Leuchtdioden, welche grünes oder blaues Licht aussenden.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung befindet sich zwischen der stabilisierten Lichtquelle und dem Lichtübertrager noch eine Blende und/oder ein Schirm, mit welchem nicht nur die Intensität des Lichtes, welches in den Lichtübertrager eintritt, gezielt geschwächt werden, sondern auch verhindert werden kann, dass Licht auf geradem Weg von der Lichtquelle zum Fenster gelangt; vielmehr wird durch eine Blende sichergestellt, dass ausschließlich Streulicht das Fenster erreicht.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Lichtübertrager eine Platte, welche zwei in entgegengesetzte Richtungen weisende Flächen und eine sie verbindende Randfläche hat. Vorzugsweise handelt es sich um eine ebene, rechteckige Platte. Auf wenigstens einer der beiden großen Flächen der Platte ist wenigstens ein Fenster angeordnet und die Lichtquelle ist der Platte so zugeordnet, dass das Licht aus der Lichtquelle das wenigstens eine Fenster nicht auf geradlinigem Wege erreichen kann, sondern nur, nachdem es gestreut worden ist, so dass aus dem Fenster diffuses Streulicht austritt. Der besondere Vorteil der Platte liegt darin, dass auf ihr mehrere Fenster angeordnet sein können und dass diese so angeordnet und ausgebildet sein können, dass Verhältnisse, wie sie in der Bioanalytik beim Untersuchen von lumineszierenden oder fluoreszierenden Proben vorliegen, besonders gut simuliert werden können. In der Bioanalytik befinden sich die Proben üblicherweise in zylindrischen oder konischen Vertiefungen einer rechteckigen Probenträgerplatte. Eine typische Probenträgerplatte besteht aus Kunststoff und enthält ein rechteckiges Feld von 8 × 12 Wells mit einem Durchmesser von ca. 7 mm, eine so genannte 96-Well-Mikroplatte. Bekannt sind auch Probenträgerplatten, welche auf einer ungefähr gleich großen Fläche wie bei der 96-Well-Mikroplatte eine Anordnung von 16 × 24 Wells haben, welche nur noch einen Durchmesser von ungefähr 4 mm aufweisen. Es gibt auch Probenträgerplatten mit noch höherer oder niedrigerer Dichte der Wells. Auf einem erfindungsgemäßen, plattenförmigen Lichtübertrager kann man nun Fenster in der gleichen Größe und in der gleichen relativen Anordnung vorsehen, wie sie die Wells auf bekannten Probenträgerplatten haben. Dabei kann man anders als bei einer Probenträgerplatte die Fenster sogar auf beiden Seiten des plattenförmigen Lichtübertragers vorsehen, z. B. Fenster mit 6 mm Durchmesser auf der einen Seite und Fenster mit 4 mm Durchmesser auf der anderen Seite. Man kann aber auch unterschiedlich große Fenster auf ein und derselben Seite des plattenförmigen Lichtübertragers vorsehen und z. B: ein Feld aus Fenstern mit 6 mm Durchmesser bilden und ein anderes Feld aus Fenstern mit 4 mm Durchmesser bilden, wobei in jedem Feld die Fenster vorzugsweise regelmäßig angeordnet sind, so wie auch die Wells auf einer Probenträgerplatte angeordnet sind.
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Die Fenster lassen sich mit Vorteil dadurch bilden, dass man auf den plattenförmigen Lichtübertrager eine Maske aufbringt, z. B. aufdruckt oder als Folie aufklebt, in welcher die Fenster durch Löcher in der Maske gebildet sind, während die Maske selbst lichtundurchlässig ist. Die Maske ist vorzugsweise so gefärbt, wie es Probenträgerplatten üblicherweise auch sind. Probenträgerplatten haben meistens eine weiße oder schwarze Oberfläche.
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In der Bioanalytik kommt es vor, dass sich neben einer Probe mit niedriger Lichtintensität oder neben einer Leerprobe eine Probe mit hoher Lichtintensität befindet. Intensitätsunterschiede von 6 bis 8 Dekaden oder sogar noch mehr kommen in der Praxis vor. Dabei besteht die Gefahr, dass Streulicht aus einer starken Probe das Ergebnis der Intensitätsmessung einer benachbarten schwachen Probe verfälscht. Man bezeichnet diesen Einfluss einer starken Probe auf das Messergebnis einer schwachen Probe als „Übersprechen”. Sogar derartige Strahlungsverhältnisse kann man mit einer erfindungsgemäßen Test-Lichtquelle simulieren. Unterschiedliche Lichtintensitäten kann man nicht nur durch unterschiedlich lange Wege von der Lichtquelle zu unterschiedlichen Fenstern und durch Vorsehen von Blenden und anderen Hindernissen erzeugen, sondern auch dadurch, dass eine Lichtquelle mit veränderlicher Intensität vorgesehen oder – vorzugsweise – mehrere Lichtquellen vorgesehen sind, die auf unterschiedliche Lichtstärken fest eingestellt sind.
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Für das Simulieren der Strahlungsverhältnisse von fluoreszierenden oder lumineszierenden Proben ist es weiterhin von Vorteil, wenigstens unter einigen Fenstern Vertiefungen in dem Lichtübertrager vorzusehen. Die Vertiefungen können Bohrungen sein. Durch verschieden tiefe Bohrungen können verschiedene Füllhöhen simuliert werden.
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Mehrere Lichtquellen kann man nicht nur vorsehen, um unterschiedliche Intensitäten zu verwirklichen, sondern auch um mit unterschiedlichen Farben testen zu können.
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Die Lichtquellen sind zweckmäßigerweise der Randfläche des plattenförmigen Lichtübertragers zugeordnet. Vorzugsweise sind sie in einer oder mehreren Ausnehmungen der Platte angeordnet. Dabei ist die Anordnung vorzugsweise so getroffen, dass sie ihr Licht hauptsächlich parallel zu den beiden großen Flächen der Platte in diese einstrahlen. Schon alleine dadurch wird verhindert, dass das Licht aus den Lichtquellen ein Fenster auf geradem Wege erreicht, vielmehr kann es das Fenster nur durch Streuung erreichen.
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Eine die Lichtquellen betreibende und stabilisierende elektrische Schaltung ist vorzugsweise ebenfalls in einer Ausnehmung der Platte angeordnet. Vorzugsweise wird zur Stromversorgung eine Batterie vorgesehen. Auch sie ist vorzugsweise in einer Ausnehmung der Platte vorgesehen, zweckmäßigerweise zusammen mit der elektrischen Schaltung. Die Vorrichtung hat dann insgesamt die Gestalt einer Platte, was den Vorteil hat, dass sie wie herkömmliche Probenträgerplatten zum Testen von Lichtmessgeräten benutzt werden kann.
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Die Erfindung eignet sich für das Erzeugen von Lichtintensitäten über einen großen Intensitätsbereich, beginnend mit sehr schwachen Intensitäten von größenordnungsmäßig 100 Photonen pro Sekunde bis zu Intensitäten, die 6 bis 7 Zehnerpotenzen größer sind. Derartige Intensitätsspannen lassen sich mit Leuchtdioden erzeugen, wenn diese nicht nur in dem steileren Bereich ihrer Strom-Intensitäts-Kennlinie betrieben werden, in welchem sie für Beleuchtungszwecke oder Signalisierzwecke üblicherweise betrieben werden, sondern wenn sie auch im unteren flachen Teil ihrer Kennlinie betrieben werden, in welchem sie nur eine geringe Intensität liefern. Im steileren Bereich der Kennlinie wird die Lichtstärke vorzugsweise durch Stromstabilisierung konstant gehalten, indem die Leistungsaufnahme RI2 konstant gehalten wird. Im flachen Teil der Kennlinie, im Bereich niedriger Intensität, wird stattdessen vorzugsweise die Spannung, welche an der LED anliegt, stabilisiert.
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Besonders niedrige Intensitäten können an einzelnen Fenstern dadurch verwirklicht werden, dass zwischen den Fenstern und der oder den Lichtquellen eine Nut in der Platte vorgesehen wird, welche für eine stärkere Dämpfung des Lichtpegels sorgt.
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Um die spektrale Empfindlichkeit eines Lichtmessgerätes zu untersuchen, können nicht nur Lichtquellen mit unterschiedlichem Emissionsspektrum eingesetzt werden, sondern auch Farbfilter verwendet werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, in welchen gleiche oder einander entsprechende Teile durch übereinstimmende Bezugszahlen bezeichnet sind.
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1 zeigt schematisch eine stabförmige Test-Lichtquelle im Längsschnitt,
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2 zeigt eine plattenförmige Test-Lichtquelle in einer Schrägansicht und
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3 zeigt den Schnitt A-A durch die in 2 dargestellte Test-Lichtquelle.
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1 zeigt eine Test-Lichtquelle mit einem stabförmigen Gehäuse 1, welches durch eine Querwand 2 in zwei Abteile unterteilt ist. In einem vorderen Abteil steckt ein stabförmiger Lichtübertrager 3 mit einer balligen Spitze 4, welche über das Gehäuse 1 vorsteht. Am rückwärtigen Ende des stabförmigen Lichtübertragers 3 ist eine Bohrung 5 vorgesehen, welche sich vom rückwärtigen Ende des Lichtübertragers 3 in Richtung auf die Spitze 4 erstreckt und eine lichtundurchlässige Blende 6 und dahinter eine Lichtquelle 7 aufnimmt, bei welcher es sich vorzugsweise um eine LED handelt, deren nicht dargestellte Zuleitungen durch eine Bohrung 8 in der Querwand 2 in das hintere Abteil des Gehäuses 1 geführt werden, in welcher – lediglich symbolisch dargestellt – die Elemente einer elektrischen Schaltung 9 untergebracht sind, darunter eine Batterie 10, durch welche die Schaltung 9 und die Leuchtdiode 7 mit Strom versorgt werden. Die Batterie 10 kann auswechselbar angeordnet sein. Im übrigen kann die Schaltung vergossen sein. Am hinteren Ende des Gehäuses 1, ebenfalls nur schematisch angedeutet, ist ein Tastschalter 11 vorgesehen, durch dessen Betätigung die Lichtquelle ein und ausgeschaltet werden kann.
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Der Lichtübertrager 3 besteht vorzugsweise aus milchigem Acrylglas. Der vordere Rand des Gehäuses 1 definiert ein Fenster, durch welches das Licht in die Spitze 4 und aus dieser schließlich diffus austreten kann.
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Die 2 und 3 zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem plattenförmigen Lichtübertrager 3, welcher zwei große, in entgegengesetzte Richtungen weisende Flächen 12 und 13 und eine sie verbindende Randfläche 14 hat. Die obere Fläche 12 ist durch eine Maske 19 abgedeckt, welche in 3 übertrieben dick dargestellt ist. Die Maske 19 hat als Löcher ausgebildete Fenster 15. Es sind Fenster in unterschiedlicher Größe vorgesehen. Fenster 15 ein und derselben Größe sind zu Feldern zusammengefasst, in welchen sich die Fenster 15 in regelmäßiger Anordnung befinden. Unter den Fenstern 15 kann die Platte 3 Vertiefungen 16 haben. Solche Vertiefungen 16 müssen nicht unter allen Fenstern 15 vorgesehen sein. Soweit Vertiefungen 16 vorgesehen sind, können sie unterschiedlich tief ausgebildet sein.
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In der Nähe eines der Ränder der Platte 3 sind in Löchern, welche in der Platte 3 vorgesehen sind, mehrere nebeneinander angeordnete Lichtquellen 7, insbesondere LEDs, vorgesehen, welche durch eine elektrische Schaltung 9, welche eine Batterie 10 umfasst, und in einer Ausnehmung 17 der Platte 3 untergebracht ist, betrieben werden. Die Lichtquellen 7 strahlen ihr Licht hauptsächlich parallel zu den beiden Oberflächen 12 und 13 der Platte 3 in diese ein. Das Licht kann deshalb nicht auf geradem Wege von den Lichtquellen 7 zu einem der Fenster 15 gelangen und durch dieses austreten, sondern nur nach Streuung an streuenden Pigmenten, die in der Platte 3 vorgesehen sind, z. B. Titandioxidpigmente in Acrylglas.
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Die Fenster 15, die am weitesten von den Lichtquellen 7 entfernt sind, erhalten die geringste Lichtintensität. Diese kann zusätzlich durch einen in die Platte 3 hineingefrästen Schlitz 18 verringert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Querwand
- 3
- Lichtübertrager
- 4
- Spitze
- 5
- Bohrung
- 6
- Blende
- 7
- Lichtquelle
- 8
- Bohrung
- 9
- Schaltung
- 10
- Batterie
- 11
- Tastschalter
- 12
- Fläche
- 13
- Fläche
- 14
- Randfläche
- 15
- Fenster
- 16
- Vertiefung
- 17
- Ausnehmung
- 18
- Schlitz
- 19
- Maske
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6335997 [0001, 0007]
- US 6335997 B1 [0006]