DE3812473A1 - Beleuchtungseinrichtung mit einem fluessigkeitslichtleiter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrich­ tung mit einem Lichtleiter, welcher einen Mantel aus einem Kunststoffschlauch hat, der mit einer lichtleitenden Flüssigkeit gefüllt und an seinen Enden durch transparente Fenster verschlossen ist, und mit einer Lichtquelle, welche mit dem einen Ende des Lichtleiters optisch gekoppelt ist.

Beleuchtungseinrichtungen mit einem sogenannten "Flüssig­ keitslichtleiter" sind seit langem bekannt und haben sich in der Praxis gut bewährt. Es ist auch eine Kombination eines Kunststoffschlauches aus einem Fluorkunststoff, wie FEP, und einer lichtleitenden Flüssigkeit, wie einer wässerigen Salzlösung oder einem Glycol, die den Kunststoff nicht benetzt, bekannt.

An den Kunststoffschlauchmantel eines Flüssigkeitslichtlei­ ters werden in der Praxis eine ganze Reihe von Anforde­ rungen gestellt: Der Kunststoffschlauchmantel soll mög­ lichst flexibel sein, damit der Lichtleiter bequem manipu­ liert werden kann. Der Schlauch muß ferner die erforder­ lichen mechanischen und chemischen Eigenschaften (Elasti­ zität, Dichtigkeit, Inertheit bezüglich der Lichtleitflüs­ sigkeit usw.) in einem relativ großen Temperaturbereich auch über längere Zeiten beibehalten, da es in der Praxis unvermeidlich ist, daß sich das mit der Lichtquelle (Wolf­ ram-Halogen-Lampe, Gasentladungslampe und dergl.) gekoppel­ te Ende auch bei Verwendung von Wärmeschutzfiltern relativ stark erwärmt, während sich das andere Ende, das Lichtaus­ trittsende, auf Umgebungstemperatur befindet, die im allgemeinen etwa 20°C beträgt.

Bisher ist kein Kunststoffmaterial bekannt geworden, das allen diesen Anforderungen genügt. Die seit längerer Zeit bekannten Fluorkunststoffe, wie FEP, zeichnen sich zwar durch eine weitgehende Unabhängigkeit ihrer Eigenschaften von der Temperatur aus, sie sind jedoch relativ starr und die Flexibilität von Schläuchen aus FEP mit einem Innendurchmesser über 4 bis 5 mm ist für viele Zwecke unerwünscht niedrig. Ein anderes bekanntes fluorhaltiges Polymermaterial ("TFB"), das 20 bis 75 Gew.% an copo­ lymerisierten Einheiten des Vinylidenfluorids enthält, ist zwar erheblich flexibler, seine Eigenschaften sind jedoch stark temperaturabhängig. Insbesondere wird TFB beim Erwärmen sehr weich sowie forminstabil und behält beim anschließenden Erkalten die ihm im warmen Zustand erteilte Gestalt bei. Im erwärmten Zustand setzt TFB außer­ dem auch der Eindiffusion der lichtleitenden Flüssigkeit keinen so hohen Widerstand entgegen, wie es aus Gründen der Langzeitstabilität des Lichtleiters erwünscht wäre.

Die vorliegende Erfindung löst, ausgehend von diesem Stand der Technik, die Aufgabe, eine Beleuchtungseinrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, deren Lichtleiter weitgehend temperaturunempfindlich und langzeitstabil sowie gleichzeitig ausreichend flexibel ist, dadurch, daß der Kunststoffschlauchmantel am Lichteintrittsende aus einem anderen Kunststoffmaterial besteht als am Licht­ austrittsende.

Vorzugsweise ist der Mantel aus zwei in sich homogenen Stücken aus verschiedenen Kunststoffen zusammengesetzt, wobei das an das Lichteintrittsende angrenzende Stück aus einem temperaturunempfindlichen, relativ starren Mate­ rial, wie FEP besteht und das an das lichtaustrittsseitige Ende angrenzende Schlauchstück aus einem relativ flexiblen und elastischen Material besteht, an das wegen des größeren Abstandes von der Lichtquelle keine so hohen Anforderungen hinsichtlich der Temperaturunempfindlichkeit gestellt zu werden brauchen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 eine stark vereinfachte, teilweise geschnittene Ansicht einer bevorzugten ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines bevorzugten Verbindungstopfens für die Einrichtung gemäß Fig. 1 und

Fig. 3 eine Teilansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Beleuchtungseinrichtung enthält eine Lichtquelle (10) mit einer Wolfram-Halogenlampe (12), die mit einem ellipsoidförmigen Fokussierspiegel (14) versehen ist. Der Spiegel (14) ist vorzugsweise als Kalt­ lichtspiegel ausgebildet, d.h. daß er IR-Strahlung durch­ läßt.

Mit der Lichtquelle (10) ist ein Flüssigkeitslichtleiter (16) gekoppelt, der einen Kunststoffschlauch-Mantel auf­ weist, der am Lichteintrittsende mit einem stopfenartigen Fenster (18) und am Lichtaustrittsende mit einem stopfenar­ tigen Fenster (20) verschlossen ist. Der Lichtleiter ist mit einer lichtleitenden Flüssigkeit (22), z. B. einer wässerigen Salzlösung oder einem höheren Glykol, wie Diethylen- und/oder Triethylenglykol gefüllt, welche einen höheren Brechungsindex hat als das Kunststoffmaterial des Mantels.

Gemäß der Erfindung besteht der Mantel aus zwei Stücken (24 a, 24 b), die durch eine Verbindungsanordnung (26) mitein­ ander verbunden sind. Das an das Eintrittsfenster (18) angrenzende Schlauchstück (24 a) besteht aus einem Kunst­ stoff, insbesondere einem Fluorkunststoff, vorzugsweise FEP, der weitgehend temperaturunempfindlich ist, so daß seine Eigenschaften durch die unvermeidliche Erwärmung des Lichteintrittsendes durch die Lichtquelle (10) nicht beeinträchtigt werden. Die Länge des relativ wenig flexib­ len Schlauchstücks (24 a) kann beispielsweise 5 bis 20% der Gesamtlänge des Lichtleiters, in der Praxis also etwa 10 bis 40 cm betragen.

Das restliche Schlauchstück (24 b) besteht aus einem Kunst­ stoff, der die für eine bequeme Manipulierbarkeit des Lichtleiters nötige Flexibilität aufweist, also z. B. aus TFB. In thermischer Hinsicht brauchen keine großen Anforderungen an das Schlauchstück (24 b) gestellt zu wer­ den, da sich dieses in größerem Abstand von der Lichtquelle befindet.

Der Lichtleiter als Ganzes ist daher thermisch stabil und ausreichend flexibel.

Der Mantel (24 a, 24 b) kann einstückig sein und durch Verschweißen oder Verkleben von zwei Schlauchstücken aus zwei verschiedenen Kunststoffmaterialien hergestellt werden. Vorzugsweise wird der Mantel jedoch aus mindestens zwei getrennten Schlauchstücken aus verschiedenen, in sich homogenen Schlauchmaterialien mittels eines Verbindungselements zusammengesetzt. Bei der in Fig. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform erfolgt dies mittels eines Verbindungs- oder Kupplungsstopfens (30) aus einem geeigneten Material, dessen Brechungsindex möglichst weitgehend mit dem der lichtleitenden Flüssigkeit übereinstimmt. Der Kupplungsstopfen (30) hat eine axiale Bohrung (32), die kapillaren Abmessungen haben kann und seine zylindrische Außenfläche ist vorzugsweise feuerpoliert und kann außerdem mit einer Schicht (34) niedrigen Brechungsindex, z. B. einem Fluoridmaterial, wie MgF₂ (n =1,36) oder NaAlF₂ beschichtet sein, um die Stoßstelle zwischen den beiden Kunststoffschläuchen optisch zu isolieren.

Wie Fig. 2 zeigt, ist der Stopfen (30) an den Enden gering­ fügig konisch verjüngt, damit scharfe Kanten vermieden werden und der Schlauch an den Enden des Stopfens nicht so leicht knickt. Das Anfasen erleichtert auch das Aufschieben der Schlauchstücke auf den Stopfen. Das Ende über welches das härtere Schlauchstück geschoben wird, hat eine relativ kleine konische Fase (30 a), während das Ende über das das weichere Schlauchstück geschoben wird, eine längere konische Fase (30 b) mit einem kleineren Konuswinkel aufweist. Gegebenenfalls genügt es, den Stopfen nur an einem Ende, insbesondere dem für den weicheren Schlauch anzufasen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform bestand die Füllflüs­ sigkeit aus Diethylenglycol (n =1,45), der Verbindungsstop­ fen (30) aus SiO₂ (n =1,46), das Schlauchstück (24 a) aus FEP und das Schlauchstück (24 b) aus TFB. Die Differenz der Brechungsindizes zwischen der lichtleitenden Flüssig­ keit und dem Material des Kupplungsstopfens (30) beträgt nur 1/100, so daß der Kupplungsstopfen für Strahlung im sichtbaren Spektralbereich praktisch "unsichtbar" ist und somit keine nennenswerten Transmissionsverluste im Lichtleiter erzeugt.

Die Stirnflächen des Stopfens sind optisch poliert, die Umfangsfläche mindestens feuerpoliert. Die Stirnflächen können mit einer Antireflexbeschichtung versehen sein, wenn dies zweckmäßig ist.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform der Erfin­ dung sind die beiden Schlauchstücke (24 a und 24 b) durch einen Vollstab (30 a) miteinander verbunden. Der Stab (30 a) kann wieder aus SiO₂ bestehen, auf seiner zylindrischen Mantelfläche mit einer Fluoridschicht überzogen und an mindestens einem Ende mit einer Fase versehen sein, wie es anhand von Fig. 2 erläutert wurde. Bei der Ausführungs­ form gemäß Fig. 3 ist es möglich, das Schlauchstück (24 a) mit einer lichtleitenden Flüssigkeit (22 a) zu füllen, die von der lichtleitenden Flüssigkeit (22 b) im Schlauch­ stück (24 b) verschieden ist. Die Flüssigkeit (22 a) kann beispielsweise eine wässerige Salzlösung und die Flüssigkeit (22 b) ein höheres Glycol sein.

Selbstverständlich kann der Mantel auch aus mehr als zwei Schlauchstücken aus verschiedenen Kunststoffmaterialien bestehen.

Die Verbindungsstelle zwischen den beiden Schlauchstücken (22 a und 22 b) wird vorzugsweise mit einem aufgeschrumpf­ ten Kunststoffschlauchstück (36) aus PVDF fixiert.

Der Lichtleiter kann im übrigen in bekannter Weise ausgebil­ det und mit einer lichtundurchlässigen Umhüllung versehen sein.

Claims (11)

1. Beleuchtungseinrichtung mit einem Lichtleiter (16), welcher einen Mantel aus einem Kunststoffschlauch (24 a, 24 b) hat, der mit einer lichtleitenden Flüssigkeit gefüllt und an seinen Enden durch transparente Fenster (18, 20) verschlossen ist, und mit einer Lichtquelle (10), welche mit dem einen Ende des Lichtleiters optisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel mindestens zwei Schlauchabschnitte (24 a, 24 b) aus verschiedenen Kunst­ stoffen enthält.

2. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Schlauchabschnitte (24 a, 24 b) im wesentlichen homogene Schlauchstücke sind, die durch einen optisch transparenten Stopfen (30, 30 a) verbunden sind.

3. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Stopfen an seiner an den Kunststoff­ schlauchmantel (24 a, 24 b) angrenzenden Fläche mit einer Schicht aus einem Material niedrigen Brechungsindex, wie einem Fluoridmaterial überzogen ist.

4. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen (30, 30 a) aus einem Material, insbesondere einem Glas, wie Quarzglas, besteht, dessen Brechungsindex weitestgehend mit dem der lichtleitenden Flüssigkeit übereinstimmt.

5. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen an mindestens einem seiner Enden verjüngt ist.

6. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen an seinen Enden konische Fasen mit unterschiedlichem Konuswinkel aufweist.

7. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen eine axiale Bohrung (32) aufweist.

8. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schlauch­ abschnitte (24 a, 24 b) durch einen optisch transparenten Vollstab (30 a) miteinander verbunden sind.

9. Beleuchtungseinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schlauchabschnitte mit verschiedenen lichtleitenden Flüssigkeiten (22 a, 22 b) gefüllt sind.

10. Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der an das mit der Lichtquelle (10) gekoppelte Ende angrenzende Schlauchab­ schnitt (24 a) aus einem wärmeunempfindlichen Kunststoff, wie FEP besteht und daß der Schlauchabschnitt (24 b), der an das der Lichtquelle (10) abgewandte Ende angrenzt, aus einem Kunststoff, wie TFB, besteht, der eine höhere Flexibilität aufweist als der Kunststoff des lichtquellen­ seitigen Abschnitts (24 a).

11. Beleuchtungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Stopfen aus Quarzglas und die lichtleitende Flüssigkeit aus Di- und/oder Triethylenglykol besteht.