DE2717233A1

DE2717233A1 - Lichtquelle

Info

Publication number: DE2717233A1
Application number: DE19772717233
Authority: DE
Inventors: Diether Dipl Phys Dr Haina; Willi Poth; Wilhelm Prof Dr Waidelich
Original assignee: STRAHLEN UMWELTFORSCH GmbH
Current assignee: STRAHLEN UMWELTFORSCH GmbH
Priority date: 1977-04-19
Filing date: 1977-04-19
Publication date: 1978-11-02
Also published as: US4240133A; FR2388201B1; FR2388201A1; DE2717233C2

Description

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Τ7Ϊ7233

GESELLSCHAFT FÜR STRAHLEN- UND UMWELTPORSCHUNG MBH, MÜNCHEN Neuherbers, den 18. April IQ77 PLA 7721 Ga/sz

Lichtquelle

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Die Erfindung betrifft eine Lichtquelle mit einem Austrittsstrahl von hoher Leistungsdichte mit einer Lampe mit Kaltlichtspiegel, einem Wärmeschutzfilter im optischen Strahlengang und einer Kühlung des Wärmeschutzfilters.

Für zahlreiche photochemische und photobiologische Vorgänge werden hohe Beleuchtungsstärken an monochromatischer oder quasimonochromatischer Strahlung benötigt. Die Bestrahlungsdosis beträgt beispielsweise bei der Psoriasis-Behandlung ebenso wie bei der Wund-

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heilung durch Licht etwa 1 J/cm (siehe z.B. Z. f. Experimentelle Chirurgie und chirurgische Forschung (197Ό, 9 bis 17). Sollen die Bestrahlungsseiten kurz gehalten werden, muß die Beleuchtungs-

2 stärke in der Größenordnung von 50 mW/cm liegen.

Spektrallampen haben ein zu großes leuchtendes Volumen; das Lieht ist nicht zu bündeln. Die andere Möglichkeit, monochromatisches bzw. quasi-nonochronatisches Licht mit Hilfe von Gitter- oder Prismenspektrographen aus weißen punktförmigen Lichtquellen zu erzeugen, führt wegen der Notwendigkeit der spaltförmigen Beleuch- : tung nicht zu den gewünschten Beleuchtungsstärken. Außerdem ist der optische Aufwand hoch. Hohe Beleuchtungsstärken ließen sich zwar leicht mit Lasern erzeugen, zum überstreichen des sichtbaren Spektralbereiches wären jedoch ein Hochleistungsargon-Laser und ein Flüssigkeits-Laser erforderlich. Die Kosten und der technische Aufwand hierfür wären beträchtlich. Außerdem gibt es Fälle, in denen bewußt nur mit inkohärentem und nicht mit dem hochkohärenten Laserlicht, z.B. zur Ausmessung und Beobachtung der Atmungsöffnungen von Blättern, beleuchtet werden soll.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, eine intensive, quasi-monochromatische Lichtquelle zu schaffen, die kompakt aufgebaut, für mehrere Wellenlängen verwendbar und intermittierend betreibbar ist und bei der der Infrarotanteil des Spektrums nahezu oder vollständig unterdrückt ist.

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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erzeugung von quasi-monochromatischer Strahlung ein Interferenzfilter ebenfalls in den Strahlengang eingefügt ist, daß, in Strahlrichtung gesehen, hinter dem Wärmeschutzfilter eine Abbildungsoptik für eine Blende vor dem Wärmeschutzfilter vorgesehen ist, und daß das Interferenzfilter nach dem Wärmeschutzfilter in der Abbildungsoptik angeordnet ist.

Eine besonders vorteilhafte Ausfuhrungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildunfsoptik aus einem hochgeöffneten Kondensor und einem hochgeöffneten Objektiv besteht, und daß das Interferenzfilter ein Breitband-Interferenzfilter ist, welches in Strahlrichtung gesehen, vor dem Objektiv angeordnet ist. Hierbei kann das Interferenzfilter in einem Pilterschieber im Objektivtubus angebracht sein.

Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Achsiallüfter einen stetigen Luftstrom am Kondensor, mit flächenhafter Bestreichung einer Seite am V/ärmeschutzfilter und an der Lampe mit Kaltlichtspiegel vorbei vom kalten zum warmen Ende transportiert.

Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß das Wärmeschutzfilter auf einem Tubus angeordnet ist, der eine oder mehrere Durchtrittsöffnungen in der Mantelfläche aufweist,' die derart ausgerichtet sind, daß der Kühlstrom auf die Kühlfläche des Wärmeschutzfilters auftrifft.

Eine Ausbildungsart der erfindungsgemäßen Lichtquelle sieht vor, daß die Blende eine Irisblende ist und daß der Lampenhalter, die Irisblende und die Trägerplatte justierbar sind oder auch der Kondensor und der Objektivtubus justierbar sind.

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Zur Erzeugung eines intermittierenden Austrittsstrahls ist eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Sektorscheibe hinter der Irisblende der Strahlengang zeitlich periodisch unterbrechbar ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mittels der Figuren 1 bis 4 näher erläutert. Hierbei stellt die

Fig. 1 den optischen Strahlengang schematisiert,

Fig. 2 einen Teilschnitt durch das geöffnete Gehäuse der Lichtquelle,

Fig. 3 einen Schnitt durch die Lichtquelle mit dem Kühlstrom und Fig. ¹J ein Spektrum des Austrittsstrahls dar.

Der optische Aufbau ist aus der Fig. 1 ersichtlich. Als Lampe ist eine 150 W Halogenlampe 1 mit Kaltlichtreflektor 2 verwendet, wobei der Kaltlichtreflektor 2 aus einem an sich bekannten aufgeschwemmten dielektrischem Material besteht. Er bündelt das Licht. In der Ebene kleinsten Bündelquerschnittes ist als Leuchtfeldblende eine im Durchmesser verstellbare und justierbare Irisblende 3 angebracht. Nach dem Durchgang des Lichtes durch ein Wärmeschutzfilter 4, welches in Strahlrichtung gesehen hinter der Irisblende 3 steht, wird es durch einen Doppelkondensor 5 mit den beiden Linsen 27 und 28 nahezu parallel gemacht und durchläuft so das Interferenzfilter 6, welches nur einen schmalen Wellenlängenbereich hindurchläßt, das Licht also quasimonochromatisch macht. Die Objektivlinse entwirft das Bild der Irisblende 3 in der Beleuchtungsebene 8.

Bei thermischen (schwarzen) Strahlern wird die spektrale Emission durch die Planck'sehe Strahlungsformel beschrieben. Das Maximum der Emission hängt von der Temperatur ab. Der Abfall zu langen Lichtwellenlängen hin ist wesentlich flacher als bei kürzeren Wellenlängen. Bei einer Glühfadentemperatur von 2500 C liegt das Emissionsmaximum bei 1,0¹I um, also bereits im infraroten Spektralbereich. Der hohe Infrarotanteil muß daher zumindest nahezu völlig unterdrückt werden. Der Kaltlichtreflektor 2 hat nunmehr die Eigenschaft zwar alles sichtbare, aber nur einen Teil des infraroten Lichtes zu reflektieren. Der restliche Infrarotanteil geht durch den Reflektor 2 hindurch

bzw. wird in ihm absorbiert und ist damit aus dem Strahlengang entfernt. Selbst gute Interferenzfilter 6 haben eine Infrarot-Blockung nur bis 1 yum oder 1,1 yum, langwelligere Wärmestrahlung wird durchgelassen. Bei der Erfindung wird ein Breitband-Interferenzfilter verwendet mit einer Wellenlänge /( =632 nm, einer Halbwertsbreite von l8 nm, einer Durchlässigkeit von 90 % und einer Blockung der Röntgenstrahlung bis 1,07 yu mit einer Durchlässigkeit von <0,01 %.

Das Wärmeschutzfilter 4 hat die Aufgabe, die restliche störende Infrarotstrahlung zu absorbieren, wobei natürlich erhebliche Wärme in ihm entwickelt wird. Daher muß die flächenhafte Kühlung vorgesehen werden, damit das Wärmeschutzfilter (Marke Schott KG 3) die Belastung aushält.

Die Fig. 2 zeigt ein geschnittenes Bild der Lampe mit abgenommenem Gehäusedeckel 29. Ein Achsiallüfter 9 (Marke Papst-Lüfter Typ 8556) saugt einen stetigen Luftstrom (siehe auch das Schnittbild nach Fig. 3) 30 vom kalten Ende 3I zum heißen Ende 32 der Lampe. Der Luftstrom bzw. die Kühlluft 30 tritt durch einen Ringspalt 24 um den Objektivtubus 25 und in der Objektivträgerplatte 22 kreisförmig angeordnete Löcher 23 in die Lichtquelle ein und umströmt als erstes den Kondensor 5, die elektrische Stromversorgung und elektronische Drehzahlregelung, welche unterhalb des Kondensors 5 angeordnet, jedoch in den Figuren nicht eingezeichnet ist, für den Motor 21 und diesen selbst. Da die Wärmeschutzfilter-Trägerplatte 16 am Lichtquellengehäuse 29 luftdicht abschließt, muß der gesamte Kühlluftstrom 30 durch einen Schlitz 20 im Wärmeschutzfilter-Tubus 19 hindurchtreten, am Wiirmeschutzfilter vorbeistreichen und dessen Kühlfläche 33 flächenhaft kühlen. Als nächstes werden die Unterbrecherscheibe 17, welche von dem Motor 21 angetrieben wird, die Irisblende 3 und zuletzt die Halogenlampe 1 mit dem Kaltlichtreflektor 2 vom dem Kühlstrom 30 umströmt. Dieser Kühlluftstromverlauf ist nochmals genauer aus der Fig. 3 in Verbindung mit einem vereinfachten Schnittbild ersichtlich.

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Die als Leuchtfeldblende in der Ebene kleinsten Bündelquerschnittes angebrachte Irisblende 3 erfüllt mehrere Aufgaben. Sie wird beim Einjustieren der erfindungsgemäßen Lichtquelle soweit geschlossen, daß nur die von der Halogenlampe 1 und dem Reflektor ausgehenden gebündelten Strahlen, jedoch nicht die Rand- und Streustrahlen passieren können. Die Ebene größter Beleuchtungsstärke liegt in der Ebene, in welche die Irisblende 3 durch das Objektiv 7 abgebildet wird, der Beleuchtungsebene 8. Sie liegt etwa 8 cm vor dem Objektiv 7 und wird dadurch gefunden, daß das scharfe Bild von einem Durchmesser von ca. 13 mm der Irisblende 3 aufgesucht wird. Für manche Anwendungsfälle ist die ausgeleuchtete Fläche in der Beleuchtungsebene 8 zu groß. Zu deren Verkleinerung wird die Irisblende 3 auf den gewünschten Wert geschlossen.

Zur Erzielung hoher Beleuchtungsstärken muß der Kondensor 5 bei möglichst kurzer Brennweite großen Durchmesser besitzen. Gleichzeitig muß er jedoch relativ gute Abbildungseigenschaften haben, da er mit zur Abbildung der Irisblende 3 beiträgt. Im vorliegenden Fall wurde ein Kondensor 5 mit 75 mm Brennweite und einem öffnunrtsverhältnis von 1 : 1 ausgesucht. Ähnliche Anforderungen wie für den Kondensor 5 gelten auch für das Objektiv 7. Verwendung fand ein Zweilinser mit 80 mm Brennweite und einem Öffnungsverhältnis von 1:1,6.

Die Lichtausbeute hängt ganz wesentlich von den Eigenschaften der verwendeten Interferenzfilter 6 ab. Hohe Transmission über den gesamten gewünschten Wellenlängenbereich garantiert optimale Ausbeute. Gewöhnliche Interferenzfilter haben relativ flach abfallende Transmissionskurven. Für den vorliegenden Zweck soll die Transmissionskurve nahezu rechteckförmigen Verlauf haben. Daher wurde ein Breitbandinterferenzfilter vom 4-Spiegel-Typ benutzt, das die bereits genannten Daten aufweist. Um das Interferenzfilter 6 schnell austauschen zu können, ist im Objektivtubus 25 ein Filterschieber angebracht, der zum Wechsel der Interferenzfilter 5 seitlich herausgezogen werden kann.

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Pur manche Zwecke, beispielsweise zur Untersuchung zeitabhängiger biologischer Vorgänge, ist eine Beleuchtung mit Wechsellicht erforderlich. Außerdem empfiehlt sich bei manchem Meßverfahren eine intermittierende Beleuchtung zur elektronischen Unterdrückung eines vorhandenen Gleichlichtanteils. Eine kugelgelagerte Sektorscheibe 17, die von dem Gleichstrommotor 21 angetrieben wird, kann das Lichtbündel kurz hinter der Irisblende 3 periodisch unterbrechen. Die Drehzahl des Motors 21 kann durch Verstellen eines nicht näher dargestellten Potentiometers so eingestellt werden, daß das Lichtbündel (bei Verwendung von drei Sektoren) zwischen 5-mal und 30-mal pro Sekunde unterbrochen werden.

Da die öffnungen aller optischen Elemente aufeinander abgestimmt sind, müssen die Halogenlampe 1 mit dem Kaltlichtreflektor 2 und die Irisblende 3 zur Erzielung hoher optischer Beleuchtungsstärke -exakt einjustierbar sein. Bei jedem Auswechseln der Halogenlampe 1 ist eine Nachjustierung unbedingt erforderlich, weil, bedingt durch Fertigungstoleranzen, ihr Glühfaden nicht exakt an der gleichen Stelle sitzt. Der Lampenhalter 10 kann daher mit Hilfe von Langlöchern (nicht sichtbar) im Befestigungswinkel 11 und der Grundplatte 12 in allen drei Raunrichtungen verschoben v/erden. Eine entsprechende Verschiebung der Irisblende 3 erfolgt über den Befestigungswinkel I¹J und die Grundplatte 13, wobei hier die Langlöcher sichtbar sind. Die Wärmeschutzfilter-Trägerplatte 16 kann vermittels Langlöchern (hier nicht sichtbar) im Befestigungswinkel 15 in Richtung der optischen Achse 35 verschoben werden.

Das Lampengehäuse 29 hat die Abmessungen von 30 cm χ 12,h cm χ 13,2 cm, der Objektivtubus 25 mit 7>7 cm Durchmesser schaut 14,7 cm daraus hervor. Bei Verwendung des o.a. Filters 6 und einer Kaltlichtspiegel-Halogenlampe 1, 2 von 150 W wird auf einer Fläche von 13 mm Durchmesser in der Beleuchtungsebene 8 eine Leistung von l60 mW erzielt, das einer Beleuchtungsstärke von 120 mW/cm entspricht. Zur Verringerung dieser Beleuchtungsstärke kann der Lampenstrom über einen nicht näher dargestellten Regeltrafo im Lampen-Netzgerät verringert werden. Die Messung der spektralen Emission ^Rkn(^ ) ^{über d}*^e Wellenlänge 7. (nm) zeigt, vie aus Fig. k ersichtlich, daß die Wärmestrahlung wirksam unterdrückt ist. Es entsteht ein Peak 36 von nahezu monochromatischem Licht.

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Claims

UcVjc;

1. Lichtquelle mit einem Austrittsstrahl von hoher Leistungsdichte mit einer Lampe mit Kaltlichtspiegel, einem Wärmeschutzfilter im optischen Strahlengang und einer Kühlung des Wärmeschutzfilters, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von quasimonochromatischer Strahlung ein Interferenzfilter (6) ebenfalls in den Strahlengang (37) eingefügt ist, daß, in Strahlrichtung (35) gesehen, hinter dem Wärmeschutzfilter (¹O eine Abbildungsoptik (5, 27, 28, 7) für eine Blende (3) vor dem Wärmeschutzfilter (4) vorgesehen ist, und daß das Interferenzfilter (6) nach dem Wärmeschutzfilter (4) in der Abbildungsoptik (5, 7) angeordnet ist.

2. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungsoptik (5, 27, 28, 7) aus einem hochgeöffnetsn Kondensor (5) und einem hochgeöffneten Objektiv (7) besteht, und daß das Interferenzfilter (6) ein Breitbandinterferenzfilter ist, welches, in Strahlrichtung (35) gesehen, vor dem Objektiv (7) angeordnet ist.

3. Lichtquelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferenzfilter (6) in einem Filterschieber (26) im Objektivtubus (25) angebracht ist.

4. Lichtquelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein Achsiallüfter (9) einen stetigen Luftstron (30) am Kondensor (5), mit flächenhafter Bestreichung einer Seite (33) am Wärmeschutzfilter (4) und an der Lampe (1) mit Kaltlichtspiegel (2) vorbei vom kalten (3D zum warmen Ende (32) transportiert.

5. Lichtquelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das V/ärmeschutzfilter (4) auf einem Tubus (19) angeordnet ist, der Durchtrittsöffnungen (20) in der Mantelfläche aufweist, die derart ausgerichtet sind, daß der Kühlstrom (30) auf die Kühlfläche (33) des Wärmeschutzfilters (H) auftrifft.

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6. Lichtquelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (3) eine Irisblende ist.

7. Lichtquelle nach Anspruch 1 oder einem der folrenden, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Sektorscheibe (17) hinter der Irisblende (3) der Strahlengang (37) zeitlich unterbrechbar ist.

8. Lichtquelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Lampenhalter (10, 11, 12), die Irisblende (3) und die Trägerplatte (l6) justierbar sind.

9. Lichtquelle nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Kondensor (5) und der Objektivtubus (25) justierbar sind.

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