DE1199205B - Vorrichtung zum Einleiten von Licht in Glasfaserbuendel - Google Patents

Description

• Vorrichtung zum Einleiten von Licht in Glasfaserbündel Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Gesamtlichtstrom einer Lichtquelle in ein oder mehrere Glasfaserbündel zu übertragen. Insbesondere ist die Aufgabe zu lösen, von dem Gesamtlichtstrom einer Lichtquelle nur den sichtbaren Bereich in ein Glasfaserbündel einzuleiten, so daß aus dem Glasfaserbündel nur »kaltes Licht« austritt. Diese Aufgabe stellt sich unter anderem in der medizinischen Technik, beispielsweise da, wo vom Arzt zu behandelnde Stellen unter Vermeidung von Wärme blend- und schattenfrei ausgeleuchtet werden sollen.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Lichtquelle in einem Brennpunkt eines elliptischen reflektierenden Körpers großer Exzentrizität angeordnet ist und der Glasfaserbündeleingang unmittelbar jenseits des zweiten Brennpunktes liegt. Nach einer bekannten Vorrichtung wird das Bild einer Lichtquelle über einen Lichtleiter auf ein Operationsgebiet übertragen, wobei die Lichtquelle im Mittelpunkt mehrerer optischer Systeme angeordnet ist. Demgegenüber bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, daß nur ein optisches System notwendig ist. Im Falle einer punktförmigen Lichtquelle wird diese vorteilhafte..-weise im Brennpunkt eines Rotationsellipsoids angeordnet. Jenseits des zweiten Brennpunktes schließt sich ein einzelnes Glasfaserbündel an.
• Ist der elliptische Körper ein elliptischer Zylinder, läßt sich vorteilhafterweise eine langgestreckte Lichtquelle anwenden, die in der Brennlinie des elliptischen Zylinders angeordnet ist. Jenseits der zweiten Brennlinie schließen sich, über die Länge der Brennlinie verteilt, mehrere Glasfaserbündel an.
• Der elliptische Körper kann ein total reflektierender Vollkörper oder ein Hohlkörper sein, der innen oder außen verspiegelt ist. In jedem Fall liegt die Lichtquelle teils am Reflexionskörper an und wird teils von einer Reflexionsschicht umgeben, um den Gesamtlichtstrom in den Reflexionskörper einleiten zu können. Diejenige Stahlung, die über die Reflexionsschicht in den Reflexionskörper eingeleitet wird, erhält eine Wärmeausfilterung dadurch, daß die Reflexionsschicht erfindungsgemäß für Wärmestrahlen durchlässig ist. Für die in den Reflexionskörper eindringende Wärmestrahlung ist im Reflexionskörper eine Wärmesperrschicht angeordnet, die im Bereich der größten Ausdehnung des Reflexionskörpers liegt, um die thermische Belastung des Reflexionskörpers möglichst gering zu halten. Die Wärmesperrschicht kann ein Wärmefilter oder ein wärmereflektierender Spiegel sein. Der Abstand des an den Reflexionskörper anschließenden Faserbündels oder der Abstand der anschließenden Faserbündel ist so bemessen, daß der zweite Brennpunkt bzw. die zweite Brennlinie des Reflexionskörpers im Scheitel desjenigen Winkels liegt, innerhalb dessen alle Strahlung im Faserbündel durch Totalreflexion weitergeleitet wird. Auf diese Weise ist die Gewähr dafür gegeben, daß ein optimaler Strahlenübergang vom Reflexionskörper in das anschließende oder die anschließenden Faserbündel gegeben ist. Von diesem Winkel wird zunächst diejenige Strahlung nicht erfaßt, die im Reflexionskörper nach dem Durchgang durch den zweiten Brennpunkt oder die zweite Brennlinie nicht auf eine Glasfaserbündelmündung, sondern auf die Außenwandung des Reflexionskörpers trifft. In dem Fall, in dem der Reflexionskörper ein totalreflektierender Vollkörper ist, ist für diese Strahlung nicht mehr die Bedingung der Totalreflexion gegeben, weshalb erfindungsgemäß der Bereich der Außenwandung zwischen dem zweiten Brennpunkt und der Glasfaserbündelmündung verspiegelt ist.
• Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung. Es zeigt F i g. 1 eine isometrische Darstellung eines Ausführungsbeispiels unter Benutzung eines rotationssymmetrischen Reflexionskörpers, F i g. 2 eine Schnittdarstellung gemäß der Schnittfläche 2'-2' in F i g. 1, F i g. 3 eine abgewandelte Form der im Beispiel der F i g. 1 benutzten Lichtquelle, F i g. 4 eine schematische Schnittdarstellung, die den Strahlengang am zweiten Brennpunkt verdeutlicht, F i g. 5 eine isometrische Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels mit einem elliptischen Reflexionskörper, der zum Anschluß an mehrere Faserschläuche geeignet ist, F i g. 6 einen Schnitt gemäß Schnittfläche 6'-6' in F i g. 5, F i g. 7 einen Schnitt gemäß Schnittfläche 7'-7' in F i g. 5 und F i g. 8 eine Darstellung des übergangs von Faserbündeln in einen Schlauch.
• In den in den F i g. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Reflexionskörper ein langgestr,2cktes Rotationsellipsoid 10. Ist der Reflexionskörper hohl, muß die Außenwandung verspiegelt sein, ist der Körper voll, muß das Totalreflexionsvermögen des Materials ausnutzbar sein, weshalb sich ein Körper aus organischem Kunstglas gut eignet. An einem Ende des Rotationsellipsoids 10 ist eine nahezu punktförmige Strahlenquelle, eine Glühlampe 12, so an den Reflexionskörper angelegt, daß eine Glühwendel 14 in einem ersten Brennpunkt des Ellipsoids angeordnet ist. Zu diesem Zweck liegt die Außenwand der Glühlampe in einer entsprechend geformten Ausnehmung 16 an dem Ellipsoid an. Die in den Raumwinkel abgegebene Lichtstrahlung wird, soweit sie nicht unmittelbar in das Ellipsoid gerichtet ist, von einem Reflektor 18 reflektiert. Der Reflektor 18 ist als ein sogenannter Kaltlichtspiegel ausgebildet.
• In der F i g. 3 ist ein Beispiel gezeigt, in welchem ein als Kaltlichtspiegel ausgebildeter Reflektor 20 innerhalb der Lampe angeordnet ist. Derartige Glühlampen mit fnnenspiegel sind handelsüblich.
• Von den von der Glühlampe 12 abgegebenen Lichtstrahlen sind zwei ausgezeichnete Strahlen 22 und 24 eingezeichnet. Der Lichtstrahl 22 geht von der Glühwendel 14 unmittelbar in das Ellipsoid über und wird an einer Stelle 26 auf der Innenwand des Ellipsoids so reflektiert, daß er durch einen zweiten Brennpunkt 30 hindurchgeht. In ähnlicher Weise wird der Lichtstrahl 24 an einer Stelle 28 reflektiert und geht dann ebenfalls durch den Brennpunkt 30 hindurch. Alle von der Lichtquelle abgegebenen Strahlen sammeln sich in dieser Weise oder über Reflektoren im zweiten Brennpunkt 30.
• Die nicht unmittelbar in das Ellipsoid eintretende Strahlung wird, soweit sie im sichtbaren Bereich des Lichtes liegt, von einem geeigneten Reflektor 18 in das Ellipsoid reflektiert. Der Reflektor ist so gestaltet, daß die infrarote Strahlung weitgehend durch die Reflexionsschicht hindurchdrungen kann. Im Beispiel der F i g. 3 wird diese Bedingung durch die Reflexionsschicht 20 ebenfalls erfüllt.
• Die noch unmittelbar in das Ellipsoid gelangenden Wärmestrahlen, wie etwa Strahlen 32, werden von einer Sperrschicht 34 davon abgehalten, bis in den zweiten Brennpunkt 30 zu gelangen. Die Sperrschicht 34 kann ein Wärmefilter oder ein wärmereflektierender Spiegel sein, der für das sichtbare Licht durchlässig ist.
• Die Sperrschicht 34 ist vorzugsweise im Bereich der größten Ausdehnung des Reflexionskörpers angeordnet, damit die thermische Belastung der Sperrschicht unkritisch bleibt.
• In F i g. 4 ist im Detail der Anschluß eines Glasfaserschlauches 36 an den Reflexionskörper gezeigt. Der Glasfaserschlauch 36 ist am Reflexionskörper in einem solchen Abstand vom Brennpunkt 30 angeschlossen, daß sein Querschnitt vom Brennpunkt aus unter einem bestimmten Winkel 38 erscheint, der dem spezifischen Öffnungswinkel des Faserschlauches entspricht. Der spezifische Öffnungswinkel eines Glasfaserbündels definiert den Winkelbereich, innerhalb dessen alle eintretende Strahlung innerhalb des Faserbündels durch Totalreflexion weitergeleitet wird. Bei Einhaltung des dem Öffnungswinkel entsprechenden Abstandes entsteht ein optimaler Lichtübergang vom Reflexionskörper in den Glasfaserschlauch 36. Der in F i g. 4 eingezeichnete Lichtstrahl 22 trifft unter dem Winkel 38 auf den Faserschlauch 36 auf. Würde das Ende des Faserschlauches 36 näher an den Brennpunkt 30 herangerückt werden, würde der Querschnitt des Faserschlauches 36 nicht voll ausgenutzt werden können. Bei einem größeren Abstand als dem vorstehend bezeichneten würde der optimale Öffnungswinkel des Faserschlauches 36 nicht ausgenutzt werden.
• Der in F i g. 4 eingezeichnete Strahl 22 trifft nach dem Durchgang durch den Brennpunkt 30 im Winkel 38 gerade auf den Rand des Glasfaserschlauchquerschnittes. Ein weiterer Lichtstrahl 40 liegt außerhalb des Öffnungswinkels 33 und trifft deshalb an einer Stelle 42 nicht mehr unter Totalreflexionsbedingung auf eine verspiegelte Fläche 44, von der er in den ersten Brennpunkt 14 zurückgeworfen wird. Vor dort durchläuft dieser Lichtstrahl abermals den Reflexionskörper und wird dann nach dem abermaligen Durchgang durch den zweiten Brennpunkt 30 innerhalb des Öffnungswinkels 38 liegen und deshalb in den Glasfaserschlauch 36 geleitet werden. Die Verspiegelung 44 ist für einen kleinen Bereich zwischen dem Brennpunkt 30 und dem Glasfaserschlauch 36 notwendig, da die hier auftreffende Strahlung, wie das Beispiel des Strahles 40 zeigt, nicht mehr total reflektiert werden kann.
• In F i g. 5 ist eine abgewandelte Ausführungsform gezeigt, die sich insbesondere für die Ausnutzung einer langgestreckten Lichtquelle eignet. Der von dieser Lichtquelle abgegebene Lichtstrom läßt sich vorzugsweise in mehrere Faserschläuche 36 überleiten. Der Reflexionskörper ist im vorliegenden Fall als elliptischer Zylinder 50 ausgebildet, der eine umlaufende elliptisch gewölbte Fläche 52 und zwei flache Seiten 54 aufweist. Der Reflexionskörper kann ein hohles Gebilde sein, das innen verspiegelt ist. Nach einer weiteren Abwandlung kann es sich auch um einen total reflektierenden Vollkörper handeln. Die Lichtquelle ist eine langgestreckte Glühlampe 56, die eine leitstungsstarke Quarzjodlampe sein kann. Die langgestreckte Glühlampe 56 liegt in einer Ausnehmung im Reflexionskörper derart, daß der Glühfaden 58 in der Brennlinie des elliptischen Zylinders angeordnet ist. In dem Fall, in dem der elliptische Zylinder als Hohlkörper ausgebildet wird, ist die Glühlampe 56 vollkommen von reflektierenden Schichten umgeben. In dem Fall, in dem der Reflexionskörper als Vollkörper ausgebildet ist, muß die die Glühlampe 56 rückwärtig umgebende Schicht verspiegelt werden. Der Spiegel wird vorzugsweise als infrarotdurchlässiger Spiegel 60 ausgebildet. In dem Fall, in dem der Reflexionskörper als Hohlkörper ausgebildet ist, wird die gesamte reflektierende Schicht des Körpers als Kaltlichtspiegel ausgebildet.
• Im Bereich der größten Ausdehnung ist eine Sperrschicht 34 in der vorbeschriebenen Art und Weise angeordnet, um die infrarote Strahlung entweder auszufiltern oder zurückzuwerfen.
• Der Strahlengang im zylindrischen Ellipsoid entspricht gemäß Schnittzeichnung Fig. 7 der zuvor an Hand von F i g. 2 gegebenen Darstellung für die Verhältnisse im Rotationsellipsoid. Aus diesem Grunde sind in F i g. 7 für den Strahlengang die bereits vorstehend beschriebenen Bezugszeichen benutzt. Die zur F i g. 4 beschriebenen Strahlenverläufe gelten auch für die Verhältnisse beim Übergang vom zylindrischen Ellipsoid in die nunmehr mehrfach vorhandenen Faserschläuche 36. Die F i g. 4 stellt hierbei lediglich eine Ebene von gleichartig vielen möglichen Ebenen dar.
• Die mehrfach angeschlossenen Faserschläuche lassen sich an getrennte Lichtaustritte leiten. Es ist aber auch möglich, die nebeneinander angeordneten Faserschläuche 36 gemäß F i g. 8 zu einem einheitlichen Lichtleiterschlauch zusammenzufassen.

Claims (13)

1. Patentansprüche: 1. Vorrichtung zum verlustarmen Übertragen des Gesamtlichtstromes einer Lichtquelle in Glasfaserbündel, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle in einem Brennpunkt eines elliptischen reflektierenden Körpers großer Exzentrizität angeordnet ist und der Glasfaserbündeleingang unmittelbar jenseits des zweiten Brennpunktes liegt.
2. 2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine nahezu punktförmige ichtquelle im Brennpunkt eines Rotations-.llipsoids angeordnet ist.
3. 3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gelennzeichnet, daß eine langgestreckte Lichtquelle in der Brennlinie eines elliptischen Zylinders angeordnet ist.
4. 4. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elliptische Körper ein total reflektierender Vollkörper ist.
5. 5. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elliptische Körper hohl und verspiegelt ist.
6. 6. Vorrichtung gemäß Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle teils am Reflexionskörper anliegt und teils von einer Reflexionsschicht umgeben ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsschicht für Wärmestrahlen durchlässig ist. B.
8. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der größten Ausdehnung des Reflexionskörpers eine Wärmesperrschicht angeordnet ist.
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesperrschicht ein Wärmefilter ist.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesperrschicht ein wärmereflektierender Spiegel ist.
11. 11. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 10; dadurch gekennzeichnet, daß das Glasfaserbündel aus mehreren über die Länge der Brennlinie verteilten Einzelbündeln besteht.
12. 12. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Brennpunkt bzw. die zweite Brennlinie im Scheitel des Winkels liegt, innerhalb dessen alle Strahlung im Glasfaserbündel durch Totalreflexion weitergeleitet wird.
13. 13. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwandung zwischen zweitem Brennpunkt und Glasfaserbündel auch bei total reflektierenden Reflexionskörpern verspiegelt ist.