DE102013208838B4 - Beleuchtungseinrichtung mit erweitertem Nutzspektrum und deren Verwendung - Google Patents

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Abstract

Beleuchtungseinrichtung (1) zum Bestrahlen von Objekten mit elektromagnetischer Strahlung (4), umfassend zumindest einen Lichtleiter (2) und eine Strahlungsquelle (10), die im Betriebszustand elektromagnetische Strahlung (4) umfassend zumindest einen Ausschnitt aus dem Spektralbereich von 320 nm bis 420 nm in den Lichtleiter (2) emittiert, wobei der zumindest eine Lichtleiter (2) zumindest ein im Betriebszustand von der elektromagnetischen Strahlung (4) durchstrahltes Glas aus dem System der bleifreien Silikat-Zinn-Gläser umfasst, das einen spektralen Transmissionsgrad bei einer Wellenlänge von 350 nm von mindestens 70% aufweist, wobei das Glas aus dem System der bleifreien Silikat-Zinn-Gläser die Komponenten beinhaltet (in Gew.% auf Oxidbasis)von bis B2O3 0 24 SiO2 23 62,1 Al2O3 0 10 Li2O 0 10 Na2O 0 18,5 K2O 0 25,7 BaO 0 57,8 ZnO 0 40 La2O3 0 25 ZrO2 0 10 HfO2 0 14,2 SnO2 > 0 2 MgO 0 8 CaO 0 8 SrO 0 24,4 Ta2O5 0 22 Y2O3 0 11,9 Rb2O 0 15 Cs2O 0 21 GeO2 0 7,5 F 0 2 ∑R2O 5 20 ∑MgO, CaO, SrO, ZnO 20 42 und wobei ...

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung mit erweitertem Nutzspektrum. Die Beleuchtungseinrichtung kann für vielfältige Anwendungsgebiete eingesetzt werden, insbes. aber in der Dental- und/oder allgemeinen Medizin, der Chirurgie, der Diagnostik und/oder aber auch in der maschinellen Bildverarbeitung (engl. Machine Vision).
  • Beleuchtungseinrichtungen für diese Anwendungsgebiete sind aus dem Stand der Technik bekannt. Für Dentalanwendungen werden in solchen beispielsweise Glasfaserstäbe eingesetzt, die in einem Ziehprozess ausgezogen und/oder zu Kegeln verjüngt und/oder in einem nachgeschalteten Biegeprozess gebogen werden. In der Regel werden derart gefertigte Glasfaserstäbe in Metall oder Edelstahlhülsen eingeklebt oder mittels eines Spritzgießprozesses mit einem Kunststoff umspritzt. Alle Materialien sollen besonders chemisch resistent insbesondere gegenüber Wasserdampf sein, da diese Bauteile i. d. R. bei Temperaturen von mehr als 120°C, typisch mehr als 130°C mehrfach dampfsterilisiert werden müssen.
  • Typische Forderungen sind dabei beispielsweise die Beständigkeit für mehr als 500 Autoklavier-Zyklen bei 134°C bei 3 bar und 5–10 min. Haltezeit (Sterilisierzeit). Die Zyklusdauer beträgt dabei bis zu 60 min. Insbes. werden Beleuchtungseinrichtungen in diesem Anwendungsgebiet in sog. Dental-Aushärtegeräten verwendet, mit denen auf Kunstharz basierte Zahnfüllungen mittels blauen Lichtes ausgehärtet werden. Je nach Typ der verwendeten Harzbasis werden unterschiedliche Wellenlängenbereiche der von der Beleuchtungseinrichtung emittierten elektromagnetischen Strahlung als besonders geeignet angesehen, insbes. der Wellenlängenbereich von 380 nm bis 510 nm mit Schwerpunkten hinsichtlich einer optimalen Absorption des Harzmaterials bei 380 nm bis 390 nm, 460 nm bis 470 nm und/oder 490 nm bis 500 nm.
  • Ein anderes bekanntes Anwendungsbeispiel von vorgenannten Beleuchtungseinrichtungen betrifft gepresste Glasfaserstäbe, die zur Beleuchtung in Turbinengehäusen von Zahnarztbohrern eingesetzt werden. Hierzu werden Glasfaserstäbe in einem Pressprozess zwei- oder dreidimensional verformt und anschließend werden die Endflächen geschliffen und poliert. Mittels dieser starren Lichtleiter wird von einer in einem Griffstück angeordneten Lichtquelle elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich zum Kopf des Turbinengehäuses geleitet, um damit beim Bohren den zu behandelnden Zahn zu beleuchten. Auch hierbei ist, um eine hohe Lichtausleuchtung gewährleisten zu können, eine hohe Transmission, insbesondere im kompletten sichtbaren Bereich des Lichts, d. h. von etwa 400 bis 700 nm, erforderlich. Zudem wird hier zudem noch eine hohe Farbtreue erwartet, welche sich im so genannten CRI-Wert (color rendering index) widerspiegelt. Ist dieser Wert hoch, z. B. > 80, geht man von einer geringen Farbverfälschung beim Betrachten der Zahn- bzw. Gewebefläche aus. Niedrige CRI-Werte führen zur Farbverfälschung, so dass im ungünstigsten Fall Farbunterschiede am Zahn oder am umgebenden Gewebe falsch wiedergegeben werden oder diese nicht erkannt werden können. Daher ist auch hier für die Transmission der Glasfaserstäbe eine möglichst, über das sichtbare Spektrum gesehen, gleichmäßig hohe Transmission erforderlich.
  • Ein Glassystem mit einer guten Transmission nahe der Blaukante wird in der DE 103 09 495 A1 beschrieben. Informationen über die Transmission bei einem erweiterten Nutzspektrum, insbes. bei einer Wellenlänge von 350 nm, und für eine Kombination mit diesen Gläsern geeignete Mantelgläser sind dieser Schrift nicht zu entnehmen.
  • Ein Herstellverfahren sowie Vorrichtungen zur Herstellung für gepresste Glasfaserstäbe ist aus der DE 10 2004 034 603 B4 bekannt. Die Herstellung der dazu gehörigen Meterware ist z. B. in der DE 10 2009 004 159 A1 beschrieben.
  • Andere Anwendungen von vorgenannten Beleuchtungseinrichtungen zielen auf die Erkennung von Krebszellen z. B. im Mundraum. Dazu werden i. A. Gewebebereiche mit UV-Licht bestrahlt und die langwellig zurück gestreute und/oder emittierte Strahlung spektral analysiert. So kann beispielsweise aufgrund des Verhältnisses bestimmter zurück gestreuter und/oder emittierter Wellenlängenbereiche auf eine krebsartige Veränderung der Zellen geschlossen werden. Die Wellenlängenbereiche der zurück gestreuten und/oder emittierten Strahlung liegen z. B. in den Bereichen 325 bis 335 nm, 375 bis 385 nm sowie 465 bis 475 nm (s. „Diagnosis of oral cancer by light-induced autofluorescence spectroscopy using double excitation wavelengths”, Oral Oncology 35 (1999), S. 144–150).
  • Den Beleuchtungseinrichtungen aus dem Stand der Technik ist gemein, dass die verwendeten Lichtleiter die Anwendungsgebiete einschränken. Bisher verwendete Lichtleiter aus Glas weisen zwar i. d. R. eine bessere Transmission als solche aus Kunststoff auf, aber selbst die besten bisher bekannten als Lichtleiter zu verarbeitenden Glasmaterialien weisen eine zunehmende Absorption auf, je kürzer die Wellenlänge der im Lichtleiter geführten Strahlung wird. Die Transmission nimmt üblicherweise bereits im blauen Spektralbereich ab, so dass zumindest die Farbwiedergabequalität beim Bestrahlen eines Objekts mit einer vorgenannten Beleuchtungseinrichtung herabgesetzt wird.
  • Dies kann insbes. die Aushärtezeit in Dental-Aushärteanwendungen erhöhen, aber auch die Diagnose eines Zahnarztes und insbes. die Verwendbarkeit der Geräte in anderen diagnostischen Anwendungen einschränken, insbes. in der beschriebenen Methode zum Erkennen von Krebszellen.
  • Vor diesem Hintergrund ist die Aufgabe der Erfindung, eine Beleuchtungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, die verglichen zu den Beleuchtungseinrichtungen des Standes der Technik ein erweitertes Nutzspektrum aufweisen, insbes. einen Lichtleiter mit einer verbesserten Transmission, insbes. im Spektralbereich von 320 nm bis 420 nm.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch die Beleuchtungseinrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Bevorzugte Ausführungsformen und Anwendungen ergeben sich aus den davon abhängigen Ansprüchen.
  • Eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung umfasst zumindest einen Lichtleiter und eine Strahlungsquelle. Die Strahlungsquelle emittiert im Betriebszustand elektromagnetische Strahlung umfassend zumindest einen Ausschnitt aus dem Spektralbereich von 320 nm bis 420 nm in den Lichtleiter, die von dem Lichtleiter zu dem zu bestrahlenden Objekt geleitet wird. Der zumindest eine Lichtleiter umfasst ein im Betriebszustand von der elektromagnetischen Strahlung durchstrahltes Glas, das einen spektralen Transmissionsgrad bei der Wellenlänge 350 nm von mindestens 70% aufweist. Das Glas des Lichtleiters enthält kein Blei und ist ein Glas aus dem System der Silikat-Zinn-Gläser. Vorteilhaft beträgt der spektrale Transmissionsgrad bei 340 nm mindestens 60%. Ebenso vorteilhaft weist der spektrale Transmissionsgrad in dem Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm ein Plateau auf, das sich dadurch auszeichnet, dass sich der spektrale Transmissionsgrad bei einer Wellenlänge in diesem Wellenlängenbereich um höchstens 6% von dem spektralen Transmissionsgrad einer anderen Wellenlänge innerhalb dieses Bereichs unterscheidet.
  • Unter dem Begriff Silikat-Zinn-Gläser werden allgemein Gläser verstanden, die in der Darstellung der Komponenten in oxidischer Form zumindest SiO2 und SnO2 enthalten.
  • Die Strahlungsquelle emittiert im Betriebszustand elektromagnetische Strahlung zumindest in einem Ausschnitt des Spektralbereichs von 320 nm bis 420 nm. Dies bedeutet, dass zumindest eine Emissionswellenlänge in diesem Bereich liegen muss. Weitere Wellenlängenbereiche sind zusätzlich möglich und vorteilhaft. Insbesondere vorteilhaft kann eine erfindungsgemäße Bestrahlungseinrichtung auch elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Spektralbereich emittieren, so dass ein Spektralbereich von etwa 380 nm bis 780 nm umfasst ist. Ebenso möglich ist es, dass die Strahlungsquelle auch in Bereichen des infraroten Spektralbereichs emittiert und diese Strahlung vorteilhaft von dem Lichtleiter geleitet wird.
  • Der Begriff spektraler Transmissionsgrad ist dem Fachmann bekannt. Er beschreibt die Transmission des Glases bei der genannten Wellenlänge. Der spektrale Transmissionsgrad bei 360 nm wird durch die dem Fachmann bekannten Messeinrichtungen bestimmt, insbesondere durch Spektralphotometer.
  • Das Glas des Lichtleiters enthält, bis auf höchstens Verunreinigungen, kein Blei. Verunreinigungen sind Bestandteile, die durch unreine Rohstoffe und/oder Kontamination in der Glasherstellung nicht mit vertretbarem Aufwand zu entfernen sind. Üblicherweise liegt die Maximalkonzentration von Verunreinigungen bei 3 ppm. Die Freiheit von Blei ermöglicht es, schon in der Produktion aber insbes. auch in der Anwendung auf diese als umweltschädigend geltende Substanz zu verzichten. Ebenso kann Blei in den Autoklaviervorgängen zum Sterilisieren der Lichtleiter aus dem Glas gelöst werden, was die Langzeitbeständigkeit des Lichtleiters und sogar dessen Transmission reduzieren kann.
  • Erfindungsgemäß umfasst das bleifreie Glas aus dem System der Silikat-Zinn-Gläser die Komponenten (in Gew.% auf Oxidbasis)
    von bis
    B2O3 0 24
    SiO2 23 62,1
    Al2O3 0 10
    Li2O 0 10
    Na2O 0 18,5
    K2O 0 25,7
    BaO 0 57,8
    ZnO 0 40
    La2O3 0 25
    ZrO2 0 10
    HfO2 0 14,2
    SnO2 > 0 2
    MgO 0 8
    CaO 0 8
    SrO 0 24,4
    Ta2O5 0 22
    Y2O3 0 11,9
    Rb2O 0 15
    Cs2O 0 21
    GeO2 0 7,5
    F 0 2
    ΣR2O 5 20
    ΣMgO, CaO, SrO, ZnO 20 42
  • R2O steht dabei für die genannten einwertigen Komponenten. Die Erdalkalien MgO, CaO und/oder SrO und/oder zusätzlich ZnO sind von mindestens 20% bis zu 42% in dem Glas dieser Gruppe enthalten.
  • Alle Angaben bzgl. der Komposition von Gläser erfolgen in dieser Beschreibung sofern explizit nichts anderes geschrieben steht in Gew.% auf Oxidbasis.
  • Vorteilhaft in diesem System der Silikat-Zinn-Gläser ist dabei das Masseverhältnis von SiO2 zu B2O3 von mehr als 5. Ebenso vorteilhaft ist ein Gesamtgehalt der Komponenten MgO, CaO, BaO, SrO, La2O3, La2O5, Ta2O5 ZrO2 und HfO2 von wenigstens 40%. Ebenso vorteilhaft ist ein Anteil von Sn2+ am Gesamtzinngehalt von höchstens 5%, besonders vorteilhaft ist ein Gehalt an SnO2 von wenigstens 0,01 und höchstens 1%. Der Brechungsindex nd der Gläser dieser Gruppe liegt insbesondere vorteilhaft zwischen 1,53 und 1,74. Die Gehalte von SnO2 können durch Zugabe in der Synthese und/oder durch das Einsetzen einer Zinnläuterung beim Schmelzen der Gläser erreicht werden.
  • Besonders vorteilhaft umfassen die bleifreien Gläser in dem System der Silikat-Zinn-Gläser (in Gew.% auf Oxidbasis)
    von bis
    B2O3 0 0
    SiO2 35 50
    Al2O3 1 10
    Li2O 0 1
    Na2O 0 15
    K2O 0 15
    BaO 20 30
    ZnO 0 15
    La2O3 0 10
    ZrO2 0,1 10
    P2O5 0 6
    HfO2 0 0
    SnO2 > 0 0,4
    MgO 0 8
    CaO 0 8
    SrO 0 8
    Y2O3 0 0
    Rb2O 0 0
    Cs2O 0 1
    GeO2 0 0
    ΣR2O 5 15
    ΣMgO, CaO, SrO 0 8
  • Ganz besonders vorteilhaft umfassen die bleifreien Gläser in dem System der Silikat-Zinn-Gläser (in Gew.% auf Oxidbasis)
    von bis
    B2O3 0 1
    SiO2 42 53
    Al2O3 0 1,5
    Li2O 0 3
    Na2O 0 14
    K2O 0 12
    BaO 0 0,9
    ZnO 16 38
    La2O3 0 0
    ZrO2 0 2
    HfO2 0 0
    SnO2 > 0 0,4
    MgO 0 6
    CaO 0 5
    SrO 0 6
    Y2O3 0 0
    Rb2O 0 0
    Cs2O 0 0
    GeO2 0 0
    F 0 2
    ΣR2O > 2
  • Ebenso ganz besonders vorteilhaft umfassen die bleifreien Gläser in dem System der Silikat-Zinn-Gläser (in Gew.% auf Oxidbasis)
    von bis
    B2O3 6 24
    SiO2 25 55
    Al2O3 0 0
    Li2O 0 10
    Na2O 0 14
    K2O 0 4,4
    BaO 16 42
    ZnO 3 40
    La2O3 0 0
    ZrO2 0 1
    HfO2 0 0
    SnO2 > 0 0,4
    MgO 0 3
    CaO 0 3
    SrO 0 4
    Y2O3 0 0
    Rb2O 0 0
    Cs2O 0 0
    GeO2 0 0
    F 0 3
  • Die folgenden Silikat-Zinn-Gläser mit der folgenden Zusammensetzung in Gew.% auf Oxidbasis sind ebenso ganz besonders vorteilhaft:
    von bis
    B2O3 0 5,1
    SiO2 28,3 62,1
    Al2O3 0 0
    Li2O 0,08 9,9
    Na2O 0 18,5
    K2O 0 25,7
    BaO 0,5 12,8
    ZnO 13 37,2
    La2O3 1,6 14,5
    ZrO2 2,1 9,8
    HfO2 0,04 14,2
    SnO2 > 0 0,3
    MgO 0 1,3
    CaO 0 1,9
    SrO 0 9
    Y2O3 0 0
    Rb2O 0 15
    Cs2O 0 21
    GeO2 0 7,5
  • Andere Silikat-Zinn-Gläser mit der folgenden Zusammensetzung in Gew.% auf Oxidbasis sind ebenso ganz besonders vorteilhaft:
    von bis
    B2O3 0 15
    SiO2 34,5 51,8
    Al2O3 0,1 2,8
    Li2O 0 0,2
    Na2O 2,7 8,9
    K2O 0,1 1,4
    BaO 14,7 57,8
    ZnO 0 17
    La2O3 0 16,4
    ZrO2 0 6,9
    HfO2 0 0
    SnO2 > 0 0,4
    MgO 0 2,9
    CaO 0 4,8
    SrO 0 24,4
    Y2O3 0 11,9
    Rb2O 0 3,9
    Cs2O 0 5,8
    GeO2 0 0
  • Wiederum andere Silikat-Zinn-Gläser mit der folgenden Zusammensetzung in Gew.% auf Oxidbasis sind ebenso ganz besonders vorteilhaft:
    von bis
    B2O3 0,1 < 5
    SiO2 23 35
    Al2O3 0 1
    Li2O 0,2 4
    Na2O 0 < 3
    K2O 0 3
    BaO 5 35
    ZnO 8 25
    La2O3 10 25
    ZrO2 0,5 9
    HfO2 0,01 2
    SnO2 0,01 2
    CaO 0 3
    SrO 0 1
    Ta2O5 0 22
  • Besonders vorteilhaft ist es, wenn die eingesetzten Gläser aus den genannten Komponenten in den beschriebenen Anteilsgrenzen bestehen.
  • Eine oder mehrere der folgenden Komponenten können enthalten sein: Cs2O, Rb2O, MgO, CaO, SrO, Gd2O3, Lu2O3, Sc2O3, Y2O3, In2O3, Ga2O3 und WO3.
  • Folgende Komponenten sollten im Glas nicht enthalten sein oder lediglich in Konzentrationen, die durch unvermeidbare Verunreinigungen der Rohstoffe bedingt sind: TiO2, CeO2, Nb2O5, MoO3, Bi2O3, PbO, CdO, Tl2O, As2O3, Sb2O3, SO3, SeO2, TeO2, BeO, radioaktive Elemente und färbende Komponenten, soweit im Text nicht anders beschrieben. Insbesondere auf TiO2 sollte verzichtet werden, weil diese Komponente für eine ausgeprägte Absorption im UV-Bereich führen kann. In vorteilhaften Ausführungsformen wird auch auf die Komponente WO3 verzichtet.
  • Die Komponenten TiO2, CeO2, Nb2O5 und/oder Bi2O3 können bis maximal 0,5 Gew.%, vorteilhaft bis 0,3 Gew.% und besonders vorteilhaft bis 0,2 Gew.% im erfindungsgemäßen Glas enthalten sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Glas frei von diesen Komponenten.
  • Vorteilhaft sind die erfindungsgemäßen Gläser frei von optisch aktiven Komponenten, insbesondere Sm2O3, Nd2O3, Dy2O3, Pr2O3, Eu2O3, Yb2O3, Tb2O3, Er2O3, Tm2O3 und/oder Ho2O3. CeO2 kann zur Stabilisierung gegen Solarisation dienen. Allerdings absorbiert CeO2 im UV-Bereich, so dass vorteilhafte Gläser dieser Erfindung kein CeO2 enthalten.
  • Der Gehalt der Komponenten Erdalkalimetalloxide, La2O3, Ta2O5, ZrO2 und HfO2 beträgt in Summe vorteilhaft und insbesondere für Gläser mit Brechwerten von mehr als 1,65 wenigstens 40 Gew.%, weiter vorteilhaft wenigstens 42 Gew.%, mehr vorteilhaft wenigstens 50 Gew.% und besonders vorteilhaft wenigstens 55 Gew.%. Wenn der Gehalt dieser Komponenten zu niedrig ist, kann der vorteilhafte Brechungsindex normalerweise nicht erreicht werden. Formulierungsbedingt sollte diese Summe einen Wert von 72 Gew.% nicht übersteigen.
  • Das Glas kann ferner Fluor bzw. Fluorid und/oder Chlor bzw. Chlorid umfassen. Der Gehalt an Fluorid beträgt vorteilhaft bis zu 0,6 Gew.%, weiter vorteilhaft bis zu 0,55 Gew.%. Chlorid kann in einem Gehalt von höchstens 0,2 Gew.%, vorteilhaft bis zu 0,15 Gew.% im Glas enthalten sein. Besondere Ausführungsformen des Glases sind frei von Fluor bzw. Fluorid und/oder Chlor bzw. Chlorid.
  • Vorteilhaft besteht das Glas in dem System der Silikat-Zinn-Gläser aus den genannten Komponenten.
  • Entwicklungen von Beleuchtungseinrichtungen mit bleifreien Gläsern aus dem System der Silikat-Alkali-Zink-Gläser sind ebenso vorstellbar. Ein solches Silikat-Alkali-Zink-Glas könnte insbesondere enthalten (in Gew.% auf Oxidbasis)
    von bis
    SiO2 39 52
    Li2O 0 6
    Na2O 0 8
    K2O 0 8
    BaO > 0 12
    ZnO 18 30
    La2O3 7 12
    ZrO2 > 0 7
    HfO2 0 4
    MgO 0 6
    CaO 0 6
    SrO 0 12
    As2O3 0 0,5
    F 0 2
    ΣLi2O, Na2O, K2O 3 19
  • Der Brechungsindex nd dieser Gläser kann insbesondere in dem Bereich von 1,50 bis 1,60 liegen.
  • Durch die Freiheit von PbO zeichnen sich die beschriebenen erfindungsgemäßen Glastypen als besonders umweltfreundlich aus. Zudem besitzen sie eine gegenüber dem Stand der Technik gleichmäßigere Transmission in dem sichtbaren Farbspektrum und eine verbesserte Transmission insbesondere im blauen Spektralbereich und vorteilhaft auch ins nahe UV, d. h. dem typischen Wellenlängenbereich der o. g. Anwendungsgebiete.
  • Die folgende Tabelle zeigt die Zusammensetzungen von Mantelgläsern und/oder Hüllgläsern, die erfindungsgemäß zusammen mit den erfindungsgemäßen Gläsern des Kerns verwendet werden. Die Mantelgläser und/oder Hüllgläser enthalten (in Gew.% auf Oxidbasis):
    Oxide Gruppe 1 Gruppe 2 Gruppe 3 Gruppe 4
    SiO2 70–78 63–75 75–85 62–70
    Al2O3 5–10 1–7 1–5 1–10
    B2O3 5–14 0–3 10–14 > 15
    Li2O 0–2 0–1 0–3 0–2
    Na2O 0–10 8–20 2–8 0–10
    K2O 0–10 0–6 0–1 0–10
    MgO 0–1 0–5 frei 0–5
    CaO 0–2 1–9 frei 0–5
    SrO 0–1 frei frei 0–5
    BaO 0–4 0–5 frei 0–5
    F 0–1 0–1 frei 0–1
    Cl 0–1 0–1 frei 0–1
    Fe2O3 0–2 0–2 0–2 0–2
  • Optional kann insbesondere auch ZnO bis 2 Gew.% insbesondere in dem Glas der Gruppe 4 enthalten sein.
  • Werden andere als die erfindungsgemäß genannten Mantelgläser und/oder Hüllgläser eingesetzt. ist es jedoch nicht mit Sicherheit vorhersehbar, ob diese Gläser auch bei Vorliegen der erforderlichen physikalischen Eigenschaften in jedem Fall mit den Kerngläsern harmonieren und gute Stufenfasern ergeben. Es empfiehlt sich daher im konkreten Einzelfall, eine vorgesehene Mantelglas-Kernglas-Paarung und/oder Hüllglas(u. ggfls. Mantelgas)-Kernglas-Paarung auf ihre Eignung hinexperimentell zu überprüfen.
  • Die genannten Mantelgläser und/oder Hüllgläser sind besonders vorteilhaft blei-, cadmium-, arsen-, und antimonfrei. Insbesondere vorteilhaft bestehen sie aus den genannten Komponenten in den genannten Zusammensetzungsbereichen. Insbesondere in der Gruppe 1 befinden sich Glastypen, die besonders chemisch inert sind und die daher besonders gut dem Hydrolyse-Angriff beim Autoklavieren widerstehen können. Die Zusammensetzung dieser Gläser ist derart gewählt, dass Diffusionseffekte (z. B. von Alkalien) vom Kern- zum Mantelglas oder Entmischung an den Grenzflächen zwischen Kern- und Mantelglas vermieden werden.
  • Dass die genannten Kerngläser insbes. in der später beschriebenen starren Ausführungsform mit Mantelgläsern versehen werden können ist keine Selbstverständlichkeit und überraschend, weil bei den starren Lichtleitern eine sehr viel bessere Anpassung der Mantel- an die Kerngläser erfolgen muss, da ansonsten mechanische Spannungen zu einem Abplatzen der Mantelgläser und/oder zu einem Bruch der Kerngläser und damit zu einer Beschädigung des Lichtleiters führen können.
  • Die Transformationstemperatur Tg der genannten Mantelgläser liegt etwa 70 bis 100 K über derjenigen der beschriebenen Kerngläser, womit ein stabiler Fertigungsprozess und eine symmetrische Form der Lichtleiter erreicht werden kann. Ist dies nicht der Fall, ergibt sich eine Faltenbildung, was zu Kapillaren beim späteren Ziehprozess der Meterware führen kann. Der Wert des Koeffizienten der thermischen Ausdehnung α des Mantelglases liegt im Bereich von 4 bis 8·10–6 K–1, der des Kernglases im Bereich von 7 bis 10·10–6 K–1, so dass der Mantel beim Abkühlen einer Druckspannung unterliegt, was insbesondere die mechanische Festigkeit erhöht.
  • Bevorzugt enthält der Lichtleiter ein Faserbündel aus einer Mehrzahl von Einzelfasern, die jeweils einen Kern aus den vorgenannten Glassystemen und bevorzugt einen Mantel aus den beschriebenen Mantelglasvarianten aufweisen. Solche Lichtleiter, die ein solches Faserbündel aus Einzelfasern mit oder ohne Mantel enthalten, werden wenn sie als starre Lichtleiter vorliegen i. A. Faserstäbe genannt. Jede Einzelfaser in einem solchen Faserstab ist in den allermeisten Fällen für sich schon starr. Ob eine Einzelfaser und damit der Lichtleiter starr oder flexibel ist, ist insbes. von dem Durchmesser der Einzelfasern abhängig. Ab einem Durchmesser von typischerweise etwa 0,8 mm ist i. A. von starren Einzelfasern auszugehen.
  • Ebenso möglich ist es, dass das System aus der Mehrzahl von Einzelfasern mit oder ohne ihre Mantelgläser wiederum von einem Mantelglas umhüllt sind, das insbesondere den zuvor beschriebenen Mantelgläsern entsprechen kann. Dieses äußere, in diesem Fall das die Mehrzahl von Einzelfasern umhüllende Mantelglas, wird i. d. R. Hüllglas genannt.
  • Besonders bevorzugt ist der Lichtleiter ein starrer Lichtleiter. Dies kann am einfachsten dadurch erreicht werden, indem der Lichtleiter ein massiver Glasstab ist. Ebenso möglich ist es, starre Lichtleiter aus den zuvor genannten Faserbündeln mit oder ohne Mantel aufzubauen. In diesem Fall werden die Vorformen der Einzelfaser mit oder ohne Mantel i. A. ausgezogen und miteinander versintert und/oder verschmolzen.
  • Besonders bevorzugt weist der starre Lichtleiter zumindest eine Biegung auf. Dies bedeutet insbesondere, dass er an einer beliebigen Stelle von der Geraden seiner Längsachse abweicht. Dies kann durch ggfls. nachgeordnetes Pressen und/oder Biegen des Lichtleiters erreicht werden.
  • Der Akzeptanzwinkel des Lichtleiters für die im Betriebszustand in ihn eingestrahlte elektromagnetische Strahlung hängt insbesondere vom Brechungsindex nd des Kernglases und Mantelglases des Lichtleiters ab. Bevorzugt sind Akzeptanzwinkel von 45° bis 130°. Vorteilhafte Untergrenzen sind ebenso 75° und/oder 85°. Der Akzeptanzwinkel spielt eine große Rolle in dem Aufbau des Strahlengangs von der Strahlungsquelle zum Lichtleiter. Um aufwendige Fokussierungsoptiken und/oder Kollimatoren zu vermeiden wird für viele Anwendungsgebiete angestrebt, dass der Akzeptanzwinkel möglichst groß ist.
  • Besonders bevorzugt umfasst die Strahlungsquelle eine LED und/oder eine Laserdiode. Damit lassen sich besonders kompakte und/oder ergonomische und/oder energieeffiziente Beleuchtungseinrichtungen realisieren. Der zuvor beschriebene große Akzeptanzwinkel der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung kommt dem Einsatz dieser Strahlungsquellen entgegen, da insbes. LEDs punktförmige Lichtquellen repräsentieren, die ohne entsprechende Optiken in alle Raumwinkel abstrahlen.
  • Ebenso bevorzugt ist es, wenn in einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung im Betriebszustand von dem beleuchtenden Objekt reflektierte und/oder emittierte elektromagnetische Strahlung von dem Lichtleiter und/oder einem weiteren insbes. in der Beleuchtungseinrichtung integrierten Lichtleiter zu einer Detektionseinrichtung geleitet wird. In dieser Ausführungsform leitet der Lichtleiter die im Betriebszustand von der Strahlungsquelle emittierte elektromagnetische Strahlung zu dem zu beleuchtenden Objekt. Dieses reflektiert und/oder emittiert seinerseits elektromagnetische Strahlung. Die Emission von elektromagnetischer Strahlung von dem im Betriebszustand beleuchteten Objekt erfolgt üblicherweise bei einer längeren Wellenlänge als die Bestrahlung, kann also spektral zur Anregungswellenlänge-verschoben sein. Die Emission kann insbes. durch eine Fluoreszenz und/oder Phosphoreszenz von Bestandteilen und/oder Markern des beleuchteten Objekts hervorgerufen werden. Die vom beleuchteten Objekt reflektierte und/oder emittierte elektromagnetische Strahlung kann von dem zuvor genannten Lichtleiter zu einer Detektionseinrichtung geleitet werden, welche insbes. Eigenschaften der reflektierten und/oder emittierten elektromagnetischen Strahlung auswerten kann, z. B. deren Intensität und/oder deren Spektrum und/oder deren Wellenlänge bei maximaler und/oder anderen Intensitäten. Ebenso möglich ist es, dass zumindest ein weiterer Lichtleiter die reflektierte und/oder emittierte elektromagnetische Strahlung zu einer Detektionseinrichtung leitet. Diese Ausführungsform ist besonders geeignet für die zuvor beschriebene Anwendung der Zelltypbestimmung, insbes. der Erkennung von Krebszellen.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Strahlungsquelle und/oder die Detektionseinrichtung und der zumindest eine Lichtleiter voneinander trennbar ausgeführt. Dies erlaubt es, insbes. ein Handstück als Strahlungsquelleneinheit mit verschiedenen Lichtleitern als Aufsätze betreiben zu können. Die Lichtleiter können z. B. auf die Geräteeinheit mit der Strahlungsquelle aufgesteckt werden. So kann eine Geräteeinheit mit der Strahlungsquelle für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden, die unterschiedliche Lichtleiter erfordern. Ebenso möglich ist es auf diese Weise, Lichtleiter nach dem Gebrauch zu sterilisieren und mit bereits sterilisierten Lichtleitern den Betrieb der Beleuchtungseinrichtung fortzusetzen.
  • Bevorzugte Anwendungen der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung sind das Aushärten von Kunststoffen und/oder die Verwendung in einem Dental-Aushärtegerät und/oder einem Gerät zum Erkennen von Zelltypen, insbesondere Krebszellen, und/oder in einem Gerät zum Erkennen von Karies und/oder in dentalen Handstücken und/oder in dentalen Winkelstücken und/oder in chirurgischen Geräten und/oder in diagnostischen Geräten. Weitere bevorzugte Anwendungen beziehen sich beispielsweise auf Hautanalyse-Geräte und Otoskope, in denen derartige Lichtleiter verwendet werden. Auch hierbei ist ein erweiterter Spektralbereich vorteilhaft. Ebenso können derartige Lichtleiter, welche starr oder semi-flexible, d. h. einseitig heißverschmolzen oder verklebt und andere Seite flexibel, in Endoskopen, insbes. als Endoskop-Komponenten eingesetzt werden. Ausführungsbeispiele sind u. a. so genannte Taper oder Kegel, die als Lichtleitstab (Single Core Rod SCR) oder Faserstab (Multi Core Rod MCR) ausgeführt sind und bei denen die Ein- und Auskoppelseite eine unterschiedliche Geometrie aufweist. Auch hierbei ist eine erweiterte spektrale Übertragungsbandbreite von Vorteil.
  • Erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtungen wurden mit den genannten und dem Fachmann bekannten Verfahren hergestellt. Die folgenden Ausführungsbeispiele erläutern die Erfindung näher.
  • In einer ersten Ausführungsform wurde eine Beleuchtungseinrichtung mit einer LED als Strahlungsquelle hergestellt, bei welcher der Lichtleiter als massiver starrer Glasstab als Kern ausgebildet ist, der an seiner Außenumfangsfläche von einem Hüllglas als Mantel umgeben ist. Diese Ausführungsform kann insbes. als Dental-Aushärtegerät eingesetzt werden. Hinsichtlich der Eigenschaften des, Lichtleiters hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, dass wenn das Kernglas einen typischen Durchmesser im Bereich von 29 bis 31 mm aufweist die Durchmessertoleranzen durch nachträgliches Rundieren (mechanisches Abschleifen) auf max. ±0,05 mm Toleranz eingestellt werden sollte. Dies hat den Vorteil, dass die geringe Durchmessertoleranz dazu führt, dass zwischen Innendurchmesser des Hüllglases und dem Kernglas nur möglichst kleine Luftspalte entstehen, die sich ansonsten negativ auf Transmission der Lichtleiter auswirken können. Das Hüllglas kann dabei insbes. eine Wandstärke von 0,8 mm bis 1,8 mm aufweisen.
  • Als besonders vorteilhafte Kombination von Gläsern hat sich bei den Herstellungstests der vorgenannten Ausführungsform das folgende System erwiesen: Kernglas aus dem System der bleifreien Silikat-Zinn-Gläser mit einem Durchmesser von 30,5 mm, Hüllglas aus der Gruppe 1 mit einer Wandstärke 0,8 mm, oder Hüllglas aus der Gruppe 1 in Kombination mit einem weiteren Hüllglas aus der Gruppe 1 und Wandstärke 1,4 mm. Die Wandstärke sollte nicht zu dünn gewählt werden, da ansonsten durch die evaneszente Feldkopplung die elektromagnetische Strahlung nicht in dem Lichtleiter geführt werden kann. Die Bedingungen der Totalreflektion werden dann teilweise aufgehoben und sog. Leckmoden erzeugen Streulicht, insbes. an Biegestellen oder bei Kegeln. Die numerische Apertur NA und damit der Akzeptanzwinkel weichen dann zudem vom theoretischen über Brechzahldifferenz vorgegebenen Wert ab. Ist die Wandstärke zu dick, wird das Licht zwar gut geführt, so dass der NA-Wert dem theoretischen Wert für die Brechzahldifferenz entspricht, allerdings wird ein niedrigerer Lichtstrom gemessen und ist die Beleuchtungsstärke geringer, da die aktive die Strahlung leitende Fläche bei gleichem Gesamtdurchmesser kleiner ist.
  • In einer zweiten Ausführungsform wurden Einzelsysteme aus Lichtleiter und umgebendem Mantelglas auf etwa einen Durchmesser von 0,6 mm bis 1 mm ausgezogen und anschließend dicht gepackt in ein Hüllglas eingeschoben. Daraufhin erfolgt ein Ausziehen zu einem starren Lichtleiter, der aus Einzelfasern aus einem Kern-Mantelsystem besteht und an seiner Außenumfangsfläche von einem Hüllglas umgeben ist. Details dieses Prozesses sind der DE 10 2009 004 159 A1 zu entnehmen.
  • Die vorgenannte Kombination Nr. 1 weist eine hohe numerische Apertur (NA) auf, was zu einer sehr guten Lichtübertragung des Gesamtsystems führt. Zudem kann aufgrund der sehr guten chemischen Beständigkeit des Mantel- und/oder Hüllglases aus der Gruppe 1 eine sehr gute Autoklavierbeständigkeit erzielt werden. Zudem weist eine derartige Kombination eine hohe Beständigkeit bei manuellen und/oder maschinellen Aufbereitungszyklen auf. Hierbei werden u. a. stark alkalische und/oder saure Reinigungsmittel verwendet. Abschließend kann eine thermische Desinfektion mit bis zu 95°C heißem Wasser erfolgen.
  • Einzelne Beispiele der Silikat-Zinn-Gläser sind der Tabelle 1 im Anhang zu entnehmen. Beispiele von geeigneten Mantelgläsern, insbes. zum Herstellen von Einzelfasern für einen Faserstab, sind in Tabelle 2 im Anhang aufgeführt. Tabelle 3 im Anhang führt Kombinationen von Mantelgläsern und Kerngläsern aus den Tabellen 1 und 2 sowie deren physikalischen Eigenschaften auf. ÖW ist darin der Öffnungswinkel, der nach DIN 58141-3 ermittelt wurde, ΔÖW ist die Differenz der Öffnungswinkel der 1 m langen und der 3,8 m langen und im Durchmesser 50 μm messenden Faser.
  • Die Erfindung wird ebenfalls anhand der Figuren eingehender erläutert, die ebenfalls Ausführungsbeispiele repräsentieren. Alle Figuren sind schematisch, die Abmessungen und/oder Proportionen der realen Gegenstände können von denen der Figuren abweichen. Es zeigen
  • 1: ein Dental-Aushärtegerät zum Aushärten von Zahnfüllungen,
  • 2: ein massiver Glasfaserstab mit Hüllglas zur Lichtleitung in einem Dental-Aushärtegerät,
  • 3: ein Turbinengehäuse für Dentalanwendungen,
  • 4: ein gepresster Glasfaserstab zur Lichtleitung in einem Turbinengehäuse,
  • 5: eine Beleuchtungseinrichtung mit Detektor zur Zelltyperkennung,
  • 6a: den Querschnitt durch einen massiven Glasstab als Lichtleiter,
  • 6b: den Querschnitt durch einen aus einzelnen Kern-Mantelsystem ausgezogenen Lichtleiter,
  • 6c: den Querschnitt durch einen weiteren aus einzelnen Kern-Mantelsystem ausgezogenen Lichtleiter,
  • 7: ein Diagramm zum Transmissionsverlauf,
  • 8: ein Diagramm zum Transmissionsverlauf,
  • 1 zeigt eine typische Beleuchtungseinrichtung (1) zum Aushärten von Zahnfüllungen, ein sog. Dental-Aushärtegerät. Es enthält den Lichtleiter (2) und eine i. d. R. in einem Gehäuse untergebrachte Strahlungsquelle (10), die in diesem Fall besonders vorteilhaft eine LED und/oder eine Laserdiode ist. Das Gehäuse kann insbes. als Handstück ausgeführt sein und der Lichtleiter (2) kann besonders vorteilhaft von dem Gehäuse trennbar ausgeführt werden.
  • Im Betriebszustand emittiert die Strahlungsquelle (10) elektromagnetische Strahlung (4) in die Stirnfläche des Lichtleiters (2), welcher die elektromagnetische Strahlung (4) zu dem zu beleuchtenden Objekt leitet. Nach dem Austritt aus der objektseitigen Stirnfläche des Lichtleiters liegt im Betriebszustand ein Freistrahlbereich vor. Die Leitung der elektromagnetischen Strahlung durch den Lichtleiter hat zur Folge, dass das Glasmaterial des Lichtleiters (2) im Betriebszustand von der elektromagnetischen Strahlung (4) durchstrahlt wird. Der Lichtleiter (2) weist in dem dargestellten Beispiel einen geraden Bereich (21) auf, an den sich ein gebogener Bereich (22) anschließt. Besonders vorteilhaft ist der Lichtleiter (2) mit diesen Bereichen (21, 22) aus einem Stück gefertigt, der gebogene Bereich (22) wurde in dem Beispiel der 1 durch Heißverformung, hier Biegen, erzeugt.
  • Der Lichtleiter (2) der 1 kann im einfachsten Fall als massiver Glasstab vorliegen, der an seiner Außenumfangsfläche von mindestens einem Hüllglas umgeben ist (ein so genannter Single Core Rod SCR), aber auch als Faserstab (ein so genannter Multi Core Rod MCR) ausgeführt sein, der wie beschrieben aus einer Mehrzahl von Einzelfasern gebildet wird, die jeweils einen Mantel aufweisen können. Auch der Faserstab kann an seiner Außenumfangsfläche von mindestens einem Hüllglas umgeben sein.
  • Die Durchmesser von vorteilhaften Lichtleitern (2) für die Anwendung als Dental-Aushärtegerät liegen i. A. im Bereich von 5 bis 11 mm und können neben der in der 1 dargestellten zylindrischen Ausführungsform auch als Kegel, d. h. mit verjüngtem Querschnitt in der Region der objektseitigen Stirnfläche ausgeführt sein. Besonders vorteilhaft eingesetzt werden zwei Varianten, eine mit klarem Hüllglas aus der Gruppe 1 oder mit schwarz gefärbten Hüllglas aus der Gruppe 1.
  • 2 zeigt einen insbes. in einer Anwendung gemäß 1 einsetzbaren Lichtleiter (2). Dieser ist in einer zylindrischen Ausführungsform gezeigt, d. h. er weist einen im wesentlichen kreisrunden Querschnitt auf, dessen Durchmesser im Wesentlichen an jeder Stelle gleich ist. Wie zuvor beschrieben weist der Lichtleiter (2) einen geraden Bereich (21) auf, an den sich ein gebogener Bereich (22) anschließt. An diesen kann wieder ein gerader Bereich (21) folgen. Wie bereits beschrieben ist dieser Lichtleiter besonders vorteilhaft aus einem Stück gefertigt, die Verformung, hier der gebogene Bereich (22), kann durch Heißformgebung erzeugt werden. Bzgl. des Aufbaus des Lichtleiters (2) als massiver Glasstab (SCR) oder als Faserstab (MCR) gilt das bzgl. 1 Geschriebene. Denkbar ist auch eine Kombination aus MCR und SCR wobei ein in Ausbreitungsrichtung des Lichtes vor dem MCR angeordneter SCR eine Lichtmischfunktion besitzt, um z. B. das Licht von mehreren LEDs innerhalb der Strahlungsquelle (10) hinsichtlich der Anteile zu mischen bzw. das Licht zu homogenisieren.
  • 3 zeigt eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung (1) in der Anwendung als Turbinengehäuse, insbes. für Dentalanwendungen. Solche Turbinengehäuse sind v. a. als Zahnarztbohrer bekannt. Der Lichtleiter (2) ist in diesem Fall i. A. in das Gehäuse integriert. Die Strahlungsquelle (10) kann insbes. eine LED und/oder Laserdiode sein, die im Betriebszustand über den Lichtleiter (2) den Ort der Behandlung beleuchten kann.
  • 4 zeigt einen typischen Faserstab als Lichtleiter (2) in einem Turbinengehäuse insbes. gemäß der 3. Ein solcher Faserstab (2) weist mehrere Abschnitte auf, die Änderungen der Durchmessergeometrien ebenso umfassen können wie Biegungen. Als Ausgangsmaterial wird ein üblicherweise rundierter zylindrischer Faserstab verwendet, wobei die typischen Durchmesser des Faserstabs bei 2 bis 3 mm liegen. Danach wird der Stab in einem Heißformprozesses in die gewünschte Geometrie gepresst, wobei der Stab zumindest abschnittsweise abgeflacht und/oder gebogen wird. Die zylindrische Form ist in der Figur in dem Abschnitt (21) erhalten, an den sich ein gebogener Abschnitt (22) mit kreisrundem Durchmesser anschließt. Auf diesen folgt in der Figur wieder ein gerader Abschnitt (21) mit gleicher Durchmessergeometrie. Darauf folgt aber der Abschnitt (24), in dem ein Übergang von der kreisrunden auf eine abgeflachte Durchmessergeometrie erzeugt wird. An diesen Abschnitt (24) kann sich der gerade Abschnitt (23) anschließen, bei dem die Durchmessergeometrie des zu vorigen Abschnitts (24) erhalten bleibt. Darauf folgt gemäß der 4 wieder ein gebogener Abschnitt (22) mit der Durchmessergeometrie der Abschnitte (24) und (23). Ein weiterer gerader Abschnitt (23) kann auf den gebogenen Abschnitt (22) folgen.
  • Das Herstellungsverfahren eines solchen Lichtleiters ist z. B. in der DE 10 2004 034 603 B4 beschrieben. Die Endflächen der in 1 bis 5 dargestellten Lichtleiter (2) werden üblicherweise geschliffen und poliert. Um eine bestmögliche Lichtleitung mit möglichst wenig Verlust sicherzustellen ist der Lichtleiter (2) in jeder Ausführungsform besonders vorteilhaft so ausgeführt, dass die Querschnittsfläche an jeder beliebigen Stelle entlang seiner Achse gleich groß ist.
  • 5 stellt schematisch eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung (1) in der Anwendung zur Zelltyperkennung dar. Ebenso möglich sind Anwendungen z. B. zur Materialinspektion. In diesem Beispiel sind eine Strahlungsquelle (10) und eine Detektionseinrichtung (11) in einem Gehäuse integriert. Im Betriebszustand emittiert die Strahlungsquelle (10) elektromagnetische Strahlung in den ihr zugeordneten Lichtleiter (2). Dieser leitet sie zu dem zu untersuchenden Objekt (400). Dieses reflektiert die von dem Lichtleiter (2) auf es geleitete Anregungsstrahlung (4) und/oder emittiert elektromagnetische Strahlung (41), die z. B. spektral verschoben zur Anregungsstrahlung (4) sein und/oder nur bestimmte Wellenlängen umfassen kann. Diese Probenstrahlung (41) wird gemäß der Figur durch einen weiteren Lichtleiter (2) zu der Detektionseinrichtung (41) geleitet. Ebenso möglich ist es, dass der die Anregungsstrahlung leitende Lichtleiter (2) ebenso die Probenstrahlung (41) zurück auf eine entsprechend angeordnete Detektionseinrichtung (11) leitet. Der Detektionseinrichtung (11) können Auswerteeinheiten zugeordnet oder in diese integriert sein, welche die Probenstrahlung (41) analysieren können. Insbes. vorteilhaft ist eine Beleuchtungseinrichtung folgend dem Prinzip der 5 an eine elektronische Datenverarbeitungseinrichtung anschließbar, welche die Daten der Detektionseinrichtung (11) sammelt und/oder die Analyse der Probenstrahlung (41) anhand von Daten der Detektionseinrichtung (11) vornimmt und/oder die Strahlungsquelle (10) und somit die Anregungsstrahlung (4) steuert und/oder überwacht.
  • 6a stellt den Querschnitt durch einen Lichtleiter (2) dar, der als massiver Glasstab ausgebildet ist. Dieser besteht aus einem Kernglas (3), das von einem Mantelglas (31) umhüllt ist. Das Mantelglas (31) wird auch Hüllglas genannt. Ebenso möglich ist es, dass sich mehr als ein Mantelglas (31) an dem Lichtleiter (2) befindet. Zur Lichtleitung notwendig ist die Totalreflektion an der Grenzfläche von Kernglas (3) zu Mantelglas (31), welche erreicht wird, wenn der Brechungsindex des Mantelglases (31) kleiner ist als derjenige des Kernglases (3). Ebenso möglich ist es, wenn kein Mantelglas um das Kernglas (3) angeordnet wird und die Totalreflektion gegen Luft erfolgt. Solche Lichtleiter sind allerdings i. d. R. empfindlicher gegenüber mechanischen Beschädigungen. Das Mantelglas (31) kann transparent oder gefärbt sein. Auch möglich aber nicht dargestellt ist die Ausführungsform, dass der Mantel statt mittels eines Glasmaterials durch zumindest ein Kunststoffmaterial gebildet wird. All diese Alternativen gelten auch für die Ausführungsformen der 6b und 6c.
  • In 6b ist der Querschnitt durch einen Faserstab als Lichtleiter (2) dargestellt. Im rechten Teil der Figur ist ein Ausschnitt aus dem Kernbereich dargestellt. Wie bereits beschrieben besteht ein Faserstab aus einer Mehrzahl von Einzelfasern (32), hier einzelnen starren Kern-Mantelfasern. Diese Einzelfasern sind wiederum von einem Hüllglas (31) umgeben. Wie in dem Ausschnitt aus dem Kernbereich zu ersehen ist weisen die Einzelfasern (32) einen Kern (33) und einen Mantel (34) aus Glas auf, wobei der Brechungsindex des Kernglases (33) größer ist als der des Mantelglases (34). Die hier gezeigte Ausführungsform stellt die dichteste Packung an Einzelfasern (32) dar, welche abgesehen vom in 6a gezeigten Einstabsystem die maximale lichtleitende Fläche ermöglicht. Diese wird durch das Ausziehen der Einzelfasern (32) in dem Hüllglas (31) erreicht, wobei der Ausziehprozess so gesteuert wird, dass die Einzelfasern (32) miteinander verschmelzen. Dabei entsteht die hexagonale Querschnittsform der Einzelfasern (32). Insbesondere ist dabei eine vollkommene Verschmelzung der Mantelbereiche (34) der Einzelfasern (32) möglich, die so insbes. eine form- und stoffschlüssige Verbindung eingehen. Die Mantelbereiche (34) von nebeneinander liegenden Einzelfasern (32) lassen sich an der Verbindungsfläche nicht mehr unterscheiden. Es entsteht insbes. ein massiver Verbund der Einzelfasern (32). Hüllglas (31) und Mantelglas (34) sollten vorteilhafterweise so ausgewählt werden, dass keine Grenzflächenreaktionen infolge Diffusion (Entmischung, Kristallbildung etc.) auftreten.
  • 6c zeigt ebenso wie 6b den Querschnitt durch einen als Faserstab ausgebildeten Lichtleiter (2). Die Einzelfasern (36) sind mit einem Hüllglas (35) umgeben. Ebenso wie zuvor sind die Einzelfasern (36) ein Kern-Mantelsystem aus einem Kernglas (37) und einem Mantelglas (34), wie auch anhand des im rechten Teil der 6c gezeigten Ausschnitts aus dem Kernbereich des Lichtleiters (2) ersichtlich ist. Im Gegensatz zu dem Lichtleiter gemäß 6b wurde das Ausziehen jedoch so durchgeführt, dass die Einzelfasern (36) nicht vollständig miteinander verschmelzen. Vielmehr sind nur die Berührungsflächen der Mantelbereiche (34) von nebeneinander liegenden Einzelfasern (36) zusammengesintert. Dabei entsteht zwar auch ein fester Verbund aus den Einzelfasern (36), die ihre Durchmessergeometrie jedoch nur höchstens unwesentlich ändern.
  • In 7 ist der spektrale Transmissionsgrad der in einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung (1) verwendeten Lichtleiter (2) im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Lichtleitern im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1000 nm dargestellt. Es wurden jeweils Faserstäbe untersucht, die mit einem Hüllglas umgeben waren. Inder 7 wird der jeweilige Transmissionsgrad über der jeweiligen Wellenlänge dargestellt. Die Transmissionskurven (200) und (201) zeigen den Transmissionsverlauf von aus dem Stand der Technik bekannten Lichtleitern, die ein bleihaltiges Glassystem als Kernmaterialien verwenden, und die Transmissionskurven (100) und (101) von erfindungsgemäßen Lichtleitern aus dem genannten bleifreien Silikat-Zinn-Gläsern. Anhand der Transmissionskurven zeigt sich, dass bei den Lichtleitern gemäß der Erfindung eine deutlich höhere Transmission im blauen und nahen UV-Spektralbereich gemessen wird. Im Spektralbereich von 400 nm bis 1000 nm zeigen die Transmissionskurven (100, 101) der Lichtleiter aus dem erfindungsgemäßen System ein nahezu waagerechtes Plateau als Maximalwert, in dem sich die Transmission sehr wenig ändert, maximal etwa 6%.
  • Die erfindungsgemäßen Lichtleiter aus bleifreien Silikat-Zinn-Gläsern und bleifreien Silikat-Alkali-Zink-Gläsern in den beschriebenen Zusammensetzungsbereichen zeigen sehr ähnliche spektrale Transmissionsverläufe wie die durch die Kurven (100) und (101) repräsentierten Beispiele. Daher wird auf weitere Kurven und deren Zuordnung auf einzelne Glaszusammensetzungen in den angegebenen Zusammensetzungsbereichen verzichtet. Die bleifreien Silikat-Zinn-Gläser ermöglichen Lichtleiter mit einem Öffnungswinkel von etwa 45° bis 130°, insbesondere 75° bis 130°.
  • 8 zeigt den spektralen Transmissionsgrad von Lichtleitern im Wellenlängenbereich von 325 nm bis 500 nm. 8 ist sozusagen eine Ausschnittsvergrößerung der 7. Die Kurven (100) und (101) repräsentieren wie bzgl. 7 beschrieben die spektralen Transmissionsgrade erfindungsgemäßer Lichtleiter, die Kurven (200) und (201) die spektrale Transmission von aus dem Stand der Technik bekannten Lichtleitern. Sehr deutlich zu sehen ist die erheblich bessere Transmission (100, 101) der erfindungsgemäßen Lichtleiter bei Wellenlängen kleiner als etwa 380 nm verglichen mit solchen aus dem Stand der Technik. Bei 350 nm beträgt der spektrale Transmissionsgrad mehr als 70%, während derjenige bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Lichtleiter nur 25% beträgt. Bei einer Wellenlänge von 335 nm sind weisen die aus dem Stand der Technik bekannten Lichtleiter keine Durchlässigkeit mehr auf (200, 201), während die erfindungsgemäßen noch etwa 62% Transmission zur Verfügung stellen (100, 101).
  • Dies führt dazu, dass mit den erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtungen insbes. blaues und UV Licht weniger gedämpft wird als in bisher bekannten Beleuchtungssystemen. Dadurch und durch das vorgenannte nahezu waagerechte Plateau der Transmissionswerde im Bereich zwischen 400 nm und 1000 nm kann die Farbwiedergabequalität mit den erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtungen gesteigert werden. Ebenso erschließen sich mit der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung aufgrund des erweiterten Nutzspektrums neue Anwendungsgebiete, die Anregungslicht bei Wellenlängen von weniger als etwa 380 nm erfordern.
  • In der 8 sind für verschiedene Anwendungen relevante Wellenlängen der Anregungsstrahlung (4) und/oder insbes. auch der Probenstrahlung (41) markiert. Z. B. zur Zelltyperkennung ist ein erster Fluoreszenz-Auswertebereich (150) von 325 nm bis 335 nm als Probenstrahlung (41) von Interesse. Ein zweiter Fluoreszenz-Auswertebereich (151) erstreckt sich 375 nm bis 385 nm. Weitere Fluoreszenz-Auswertebereiche können ausgenutzt werden. In den genannten Fluoreszenz-Auswertebereichen (150, 151) weisen die in den erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtungen (1) eingesetzten Lichtleiter (2) jedoch den Vorteil der signifikant besseren Transmission auf, als solche, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Insbes. der kürzer wellige Fluoreszenz-Auswertebereich (150) ist für Beleuchtungseinrichtungen aus dem Stand der Technik unzugänglich.
  • Ebenso in 8 markiert sind Wellenlängenbereiche, die zum Aushärten von neuen Generationen von Kunststoffen insbes. mittels Dental-Aushärtegeräten eingesetzt werden. Ein solcher Aushärtebereich (160) erstreckt sich von 380 nm bis 390 nm. Auch hier ist die Transmission der in den erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtungen (1) eingesetzten Lichtleiter (2) höher als in solchen aus dem Stand der Technik bekannten. Dadurch wird die für den Aushärteprozess pro Zeiteinheit zur Verfügung stehende Strahlungsmenge erhöht und der Aushärteprozess beschleunigt.
  • Mit den genannten Glassystemen wurden Lichtleiter (2) hergestellt, deren spektrale Transmission auch bei einer großen Anzahl von Autoklavierzyklen bei 134°C/3 bar/10 min. Haltezeit erhalten blieb. Selbst bei 500 Autoklavierzyklen wiesen die Lichtleiter nahezu keine Veränderung der Transmission auf, was für eine besonders hohe Hydrolysebeständigkeit spricht. Die den Kurven (200) und (201) zugrundeliegenden Lichtleiter aus bleihaltigen Gläsern aus dem Stand der Technik zeigten zwar auch noch ein gute Hydrolysebeständigkeit, allerdings war mit zunehmender Autoklavier-Häufigkeit eine Abnahme der Transmission zu beobachten.
  • Ebenso besitzen die zuvor genannten Ausführungsbeispiele eine besonders hohe Resistenz bezüglich Säuren bzw. sauren Medien, wie sie beispielsweise zur Desinfektion im Medizinbereich (z. B. Peressigsäure) und/oder bei der Montage von medizintechnischen Produkten, beispielsweise bei der Montage von Endoskopen, benutzt werden (z. B. Metalllote und chemische Polituren).
  • Der Verlauf des Akzeptanzwinkels, welcher mit der numerischen Apertur korrespondiert, wurde ebenfalls in Abhängigkeit der Anzahl von maschinellen Reinigungszyklen beim Aufbereiten der Lichtleiter untersucht. Trotz des hierbei verwendeten stark alkalischen Reinigungsmittels bleibt der Akzeptanzwinkel nahezu konstant, was ebenfalls für eine sehr gute chemische Beständigkeit des Systems spricht.
  • Ebenso untersucht wurde die Solarisationsbeständigkeit der Lichtleiter. Der Verlauf der Transmission der Lichtleiter gemäß der Erfindung bei einer intensiven Bestrahlung bei einer Wellenlänge von 365 nm wurde in Abhängigkeit der Bestrahldauer vermessen. Insbes. die Lichtleiter aus den bleifreien Silikat-Zinn-Gläsern erwiesen sich als besonders solarisationsbeständig.
  • Gegenüber Beleuchtungseinrichtungen aus dem Stand der Technik haben erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtungen (1) den Vorteil, dass sie neben der Freiheit von Blei in den Lichtleitern eine deutlich verbesserte optische Transmission im blauen sowie im nahen UV-Spektralbereich aufweisen, was zum einen hinsichtlich einer kürzeren Behandlungsdauer beim Aushärten von Zahnfüllungen aufgrund einer höheren Intensität vorteilhaft ist. Andererseits können neue Kunststoffmaterialien und Härter verwendet werden, da Wellenlängen im UV, z. B. 365 nm, noch genutzt werden können. Weitere Anwendungsmöglichkeiten ergeben sich hinsichtlich der fotodynamischen Diagnostik, d. h. Karieserkennung mit Markern, sowie der fotodynamische Therapie.
  • Im Hinblick auf die o. g. Anwendungen zeichnen sich die Lichtleiter (2) der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtungen (1) auch durch eine hohe mechanische Robustheit aus. Zudem können mit den genannten Glassystemen Blaseneinschlüsse deutlich reduziert bzw. vermieden werden, die sich ansonsten nachteilig hinsichtlich Abplatzungen und schlechterer optischer Eigenschaften auswirken können.
  • Zur Herstellung der Lichtleiter in erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtungen (1) können konventionellen Anlagen ohne spezielle Anpassungen eingesetzt werden. Zudem können geforderte geometrische Toleranzen eingehalten werden. Ebenso können Nachverarbeitungsprozesse, wie Schwärzen von Hüllgläsern, Pressen, Biegen und Tapern, das Verjüngen bei Kegeln usw. ohne Veränderung verwendet werden. Tabellen Tabelle 1: Beispiele von bleifreien Silikat-Zinn-Gläsern
    Figure DE102013208838B4_0002
    Fortsetzung Tabelle 1
    Figure DE102013208838B4_0003
    Fortsetzung Tabelle 1
    Figure DE102013208838B4_0004
    Tabelle 2: Beispiele von Mantelgläsern
    Beispiel A B
    Mantelglastyp Gruppe 1 Gruppe 2
    SiO2 73,9 69,9
    B2O3 9,60 1,0
    Na2O 6,60 12,6
    K2O 2,56 3,2
    MgO 0,01 2,7
    CaO 0,63 5,1
    BaO 0,04 2,1
    Al2O3 6,62 4,0
    TiO2 0,1
    F 0,08 0,2
    Cl 0,18
    Fe2O3 0,04
    Sb2O3 < 0,005
    As2O3 < 0,005 0,1
    Summe 100,26 101
    Eigenschaften
    nd 1,49 1,514
    α(20-300°C) [10–6/K] 5,5 9,1
    Tabelle 3: Beispiele von Kernglas-Mantelglas Kombinationen
    Kernglas Bsp. aus Tab. 1 19 20 21 22 23 24
    Mantel-Bsp. aus Tab. 2 A A A A A A
    Eigenschaften Stufenindexfaser
    Dämpfung 550 nm, ∅ 50 μm, [dB/km] 287 292 215 240 401 339
    Dämpfung [dB/km] ∅ 50 μm, [dB/km] 374 411 306 333 469 386
    ÖW 1 m, ∅ 50 μm [°] 117 103 121 122 123 122
    ÖW 3,8 m, ∅ 50 μm [°] 99 83 113 104 108 113
    Δ ÖW zw. 1 m und 3,8 m, ∅ 50 μm [°] 18 20 8 18 15 9
    Fortsetzung Tabelle 3
    Kernglas Bsp. aus Tab. 1 25 26 27 28 29 30 26
    Mantel-Bsp. aus Tab. 2 A A A A A A B
    Eigenschaften Stufenindexfaser
    Dämpfung 550 nm, ∅ 50 nm, [dB/km] 200 274 206 276 264 244 420
    Dämpfung 610 nm ∅ 50 μm, [dB/km] 275 373 313 357 424 393 490
    ÖW 1 m, ∅ 50 μm [°] 121 109 120 65 118 118 102
    ÖW 3,8 m, ∅ 50 μm [°] 113 100 113 54 114 112 84
    Δ ÖW zw. 1 m und 3,8 m ∅ 50 μm [°] 8 9 7 9 4 6 18

Claims (9)

  1. Beleuchtungseinrichtung (1) zum Bestrahlen von Objekten mit elektromagnetischer Strahlung (4), umfassend zumindest einen Lichtleiter (2) und eine Strahlungsquelle (10), die im Betriebszustand elektromagnetische Strahlung (4) umfassend zumindest einen Ausschnitt aus dem Spektralbereich von 320 nm bis 420 nm in den Lichtleiter (2) emittiert, wobei der zumindest eine Lichtleiter (2) zumindest ein im Betriebszustand von der elektromagnetischen Strahlung (4) durchstrahltes Glas aus dem System der bleifreien Silikat-Zinn-Gläser umfasst, das einen spektralen Transmissionsgrad bei einer Wellenlänge von 350 nm von mindestens 70% aufweist, wobei das Glas aus dem System der bleifreien Silikat-Zinn-Gläser die Komponenten beinhaltet (in Gew.% auf Oxidbasis) von bis B2O3 0 24 SiO2 23 62,1 Al2O3 0 10 Li2O 0 10 Na2O 0 18,5 K2O 0 25,7 BaO 0 57,8 ZnO 0 40 La2O3 0 25 ZrO2 0 10 HfO2 0 14,2 SnO2 > 0 2 MgO 0 8 CaO 0 8 SrO 0 24,4 Ta2O5 0 22 Y2O3 0 11,9 Rb2O 0 15 Cs2O 0 21 GeO2 0 7,5 F 0 2 ∑R2O 5 20 ∑MgO, CaO, SrO, ZnO 20 42
    und wobei der zumindest eine Lichtleiter (2) an seiner Außenumfangsfläche von zumindest einem Mantelglas (31, 35) umhüllt wird, das ausgewählt ist aus einer der folgenden Gruppe 1 bis 4, welches jeweils die Komponenten beinhaltet (in Gew.% auf Oxidbasis) Gruppe 1 Gruppe 2 Gruppe 3 Gruppe 4 SiO2 70–78 63–75 75–85 62–70 Al2O3 5–10 1–7 1–5 1–10 B2O3 5–14 0–3 10–14 > 15 Li2O 0–2 0–1 0–3 0–2 Na2O 0–10 8–20 2–8 0–10 K2O 0–10 0–6 0–1 0–10 MgO 0–1 0–5 0 0–5 CaO 0–2 1–9 0 0–5 SrO 0–1 0 0 0–5 BaO 0–4 0–5 0 0–5 F 0–1 0–1 0 0–1 Cl 0–1 0–1 0 0–1 Fe2O3 0–2 0–2 0–2 0–2
  2. Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der Lichtleiter (2) ein Faserbündel aus einer Mehrzahl von Einzelfasern (32, 36) enthält.
  3. Beleuchtungseinrichtung (1) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Lichtleiter (2) ein starrer Lichtleiter ist, der bevorzugt zumindest eine Biegung (22) aufweist.
  4. Beleuchtungseinrichtung (1) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Lichtleiter (2) einen Akzeptanzwinkel für das im Betriebszustand eingestrahlte Licht von 45° bis 130°, insbesondere von 75° bis 130° aufweist.
  5. Beleuchtungseinrichtung (1) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Strahlungsquelle (10) zumindest eine LED und/oder zumindest eine Laserdiode umfasst.
  6. Beleuchtungseinrichtung (1) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Betriebszustand von dem beleuchtenden Objekt (400) reflektierte und/oder emittierte elektromagnetische Strahlung (41) von dem Lichtleiter (2) und/oder einem weiteren in der Beleuchtungseinrichtung integrierten Lichtleiter (2) zu einer Detektionseinrichtung (11) geleitet wird.
  7. Beleuchtungseinrichtung (1) nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Strahlungsquelle (10) und/oder Detektionseinrichtung (11) und der Lichtleiter (2) voneinander trennbar ausgeführt sind.
  8. Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung (1) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche zum Aushärten von Kunststoffen und/oder in einem Dental-Aushärtegerät und/oder einem Gerät zum Erkennen von Zelltypen, insbesondere Krebszellen, und/oder in einem Gerät zum Erkennen von Karies und/oder in dentalen Handstücken und/oder in dentalen Winkelstücken und/oder in chirurgischen Geräten und/oder in diagnostischen Geräten, insbesondere in Hautanalyse-Geräten, Otoskopen und/oder Endoskopen.
  9. Verwendung einer Beleuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 8 für ein Endoskop, wobei der Lichtleiter (2), basierend auf einem Faserstab oder Lichtleitstab, als starrer Kegel ausgeführt ist, bei dem eine Ein- und Auskoppelseite des Kegels unterschiedliche Geometrien aufweist und wobei der Akzeptanzwinkel des Lichtleiters (2) mindestens 75° beträgt.
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