ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ И СВЕТОПРОВОДЯЩЕЕ УСТРОЙСТВО
RADIATION SOURCE AND LIGHT CONDUCTOR DEVICE

Настоящее изобретение относится к источнику излучения предпочтительно медицинского или стоматологического назначения, прежде всего к устройству светоотверждения для полимеризации пломбировочных материалов согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также к светопроводящему устройству для источника излучения или устройству светоотверждения такого рода согласно ограничительной части пункта 15 формулы изобретения.
Термин свет, используемый здесь в описании и в формуле изобретения, относится не только к электромагнитному излучению в видимом диапазоне спектра, но также к электромагнитному излучению в ультрафиолетовом и ближнем инфракрасном диапазонах. Когда делается соответствующая ссылка на предпочтительно используемые светодиоды (или светодиодные кристаллы), то эти термины также подразумевают другие источники света и источники излучения, прежде всего полупроводниковые источники излучения, излучающие видимый свет, ультрафиолетовое и/или ближнее инфракрасное излучение, которые для удобства чтения далее по тексту не перечисляются. Даже если иногда ссылка дается только на устройства светоотверждения, специалисту в данной области техники следует понимать, что соответствующие утверждения в равной мере применимы также к другим источникам излучения, и ссылка относится к ним в равной степени.
Устройства светоотверждения подобного рода известны уже длительное время.
Один из примеров осуществления световода 70-х годов может быть взят из DE 2352670. Уже в то время были хорошо известны гибкие световоды, состоящие из моноволокна. Данный документ также свидетельствует, что было известно использование светопроводящих текучих сред и гибкого пластмассового шланга для изготовления световода.
Световоды, состоящие из одного волокна и называемые также светопроводящими стержнями, в основном являются сравнительно негибкими или жесткими и поэтому с трудом могут быть изогнуты. С другой стороны, световоды, заполненные текучей средой, небезопасны особенно при применении в ротовой области, т.к. существует опасность того, что пациент может случайно прокусить световод, что приведет к вытеканию текучей среды.
В 80-х годах, но также и по настоящее время, как правило, перешли к использованию многоволоконных световодов; примером этому может служить документ DE 29709785.
Многоволоконные световоды, также называемые многожильными световодными кабелями, обладают преимуществом существенно улучшенной способности к изгибанию. Благодаря этому стоматолог может придавать нужную форму световоду на его конечном участке для того, чтобы обеспечить излучение света или его испускание зачастую в глубоко удаленном месте.
Кстати, это же относится к применению световодов в светочувствительных датчиках для стоматологических камер, а также, например, к применению световодов в эндоскопах, которые также требуют малых радиусов изгиба.
Как уже давно известно, с помощью оптически аддитивной смеси основных цветов, таких как красный, желтый и голубой, можно генерировать белый цвет. Этот факт используется путем размещения светодиодов соответствующего цвета в непосредственной близости друг от друга и направления светового излучения от них в световод.
Действительно, так называемые белые светодиоды появились лишь недавно. Однако в настоящее время они сравнительно дороги, а благодаря смешению цветов можно лучше адаптировать хроматический тон света под требуемый. Можно также выбрать некоторый спектр излучения.
2
При использовании в качестве источника света одного светодиода или светодиодного кристалла излучение света происходит в основном с верхней стороны светодиодного кристалла, имеющего, как правило, размер приблизительно 1 мм. Если перед светодиодным кристаллом расположить многоволоконный кабель, имеющий диаметр 6-13 мм, основное световое излучение, как правило, будет падать только на 6-7 внутренних волокон, в то время как лишь очень небольшая часть внешних оптических волокон будет задействоваться.
Чтобы исключить такую ситуацию стало известным использование собирающей линзы с торцевой стороны оптических волокон, в которую вводится свет. С другой стороны, установка дополнительной собирающей линзы означает две дополнительные оптические граничные поверхности с соответствующими отражениями, так что кпд снижается.
В обоих упомянутых случаях применения охотно обращаются к моноволоконным световодам или светопроводящим стержням ввиду того, что вся площадь сечения световода может являться оптически эффективной средой в случае моноволоконной технологии в противоположность потерям в выходе излучения при использовании многоволоконного световода.
Современные источники света медицинского и стоматологического назначения, обычно используемые до настоящего времени, например, для полимеризации пломбировочных материалов, были созданы и предназначены для излучения некоторого заданного спектра излучения.
В отличие от этого в основу настоящего изобретения положена задача предложить источник излучения предпочтительно зубоврачебного или стоматологического назначения, прежде всего устройство светоотверждения для полимеризации пломбировочных материалов согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения, а также светопроводящее устройство согласно ограничительной части пункта 15 формулы изобретения, которые, с одной стороны, просты и экономичны в изготовлении и универсальны в использовании, а с другой стороны, с которыми можно более эргономично обращаться при применении в медицинских, предпочтительно стоматологических целях, и чья цветность света, и/или спектр излучения, и/или спектральная мощность излучения могут быть адаптированы под цель и случай применения без ущерба для излучения света или простоты обращения.
Указанная задача в отношении источника излучения и устройства светоотверждения решена в пункте 1 формулы изобретения. В отношении светопроводящего устройства для устройства такого рода задача решена в пункте 15 формулы изобретения.
Дополнительные конструктивные улучшения предпочтительно вытекают из описания и прежде всего из зависимых пунктов формулы изобретения. Все технические отличительные признаки, раскрытые в описании и в зависимых пунктах формулы изобретения, могут произвольно объединяться друг с другом исходя из опыта соответствующего специалиста в данной области техники и могут совместно воплощаться технически в сочетании с отличительными признаками независимых пунктов 1 и 15 формулы изобретения.
Как ни странно, посредством взаимодействия рефлекторного устройства, направляющего излучение непосредственно в светосмесительный элемент, и упомянутого светосмесительного элемента изобретение позволяет обеспечить очень высокую степень смешивания света в сочетании с очень простым и экономичным конструктивным исполнением и без ужесточения требований к объему и общей длине и, таким образом, при использовании источников света, прежде всего светодиодов, отличающихся цветностью света и/или спектром их излучения и регулируемых независимо друг от друга, может быть создано соответствующее устройство, чья цветность света, и/или спектр излучения, и/или спектральная мощность излучения могут быть адаптированы под цель и случай применения без ущерба для излучения света или простоты обращения.
Согласно настоящему изобретению, в частности, выгодно, что благодаря объединению моноволоконных и многоволоконных световодов могут, как ни странно, обеспечиваться преимущества обоих световодов без явных недостатков. Плохое смешивание света, имеющее место при использовании многоволоконных световодов, полностью исключается, также как и только частичное восприятие света, который фокусируется на центральных оптических волокнах. Нет необходимости использовать собирающую линзу или любое другое дорогостоящее устройство смешивания света на входной стороне; скорее возможна непосредственная подача светового излучения одного или нескольких светодиодных кристаллов в моноволоконный световод. Благодаря сравнительно большой поверхности ввода света световод полностью воспринимает световое излучение и направляет его вперед.
Настоящее изобретение делает возможными гомогенизацию и смешивание света, генерируемого устройством генерации света, и его распределение по всей площади сечения световода, так что на выходе световода может осуществляться гомогенная подсветка площади в части яркости и спектрального распределения. Таким образом, изобретение обеспечивает эффективный, простой и с низкими потерями ввод в световод излучаемого света, генерируемого, в частности, несколькими светодиодами или другими полупроводниковыми источниками излучения.
В одном из модифицированных вариантов осуществления изобретения друг с другом соединяются более одного многоволоконного отрезка и/или более одного моноволоконного отрезка. Это удобно, например, когда световод имеет большую длину и содержит участки в своем продолжении, на которых он должен сильно изгибаться. На указанных участках в таком случае используют многоволоконные отрезки, а далее снова моноволоконные отрезки.
Принимая во внимание тот факт, что оптоволоконный кабель, как правило, дает выход света на 15% ниже по сравнению с моноволоконными световодами, в изобретении предлагается снижать эти потери по меньшей мере наполовину. Если только передняя, т.е. первая треть световода со стороны испускания света выполняется многоволоконной, а задние две трети световода выполняются моноволоконными, то потери в выходе излучения снижаются с 15 до 5%.
Кроме того, в частности, выгодно, что согласно изобретению предотвращается воспроизведение оптическими волокнами или многоволоконным световодом изображения светодиодного кристалла. На моноволоконном отрезке световода осуществляется сильное смешивание, так что таким образом обеспечивается гомогенизация света.
Как бы то ни было, желаемый спектр излучения может быть получен с использованием нескольких светодиодных кристаллов различный цветов и фактически без необходимости использования дополнительной собирающей линзы и последующих дорогостоящих гомогенизирующих устройств. Это также, в частности, относится к трем светопроводящим кристаллам, имеющим различные цвета и, как правило, располагаемым треугольником, которые, например, имеют максимумы излучения в красной, зеленой и голубой областях спектра и которые могут использоваться для получения любого желаемого цвета путем аддитивного смешения света.
Таким же образом предлагаемое в изобретении решение может быть очень экономично интегрировано в любое обычное устройство, требуя минимальных конструктивных изменений. Кроме того, возможна очень простая установка или замена световодов в медицинской или зубоврачебной практике или, например, в стоматологической лаборатории. Более того, предлагаемое в изобретении решение очень просто реализуется в сервисной мастерской.
Как ни странно, в связи с использованием предлагаемого в изобретении устройства смешивания света можно достичь неожиданно высокой степени гомогенизации в части распределения интенсивности и кривых спектрального распределения по всей выходной поверхности жгута световодов, несмотря на простоту конструкции и очень короткую общую длину устройства смешивания света, т.е. очень короткую дистанцию смешивания света в пределах светосмесительного элемента, в частности, в связи с современной конфигурацией рефлектора в устройствах генерации света, а также благодаря повторяющемуся фазовому переходу и взаимодействиям на поверхности раздела между твердой средой и воздухом и снова твердой средой на пути света в оптическом тракте прибора такого рода, т.е., например, светодиод/воздух, воздух/рефлектор, рефлектор/воздух, воздух/защитное стекло, защитное стекло/воздух, воздух/светосмесительный элемент, светосмесительный элемент/воздух, воздух/жгут световодов, а также благодаря отражениям на поверхности раздела и возникающей разности задержки хода различных пучков лучей в оптическом тракте и их суперпозиции. При этом в то же время отмечаются очень небольшие потери света до выходного конца жгута световодов в сравнении с общей излучаемой энергией, вырабатываемой светодиодами.
Дополнительным преимуществом предлагаемого в изобретении решения является то, что в перспективе более не будет предъявляться требование использовать дорогостоящие жгуты световодов, содержащие рандомизированную конфигурацию индивидуальных волокон, и благодаря этому, с одной стороны, может быть достигнута существенная экономия при изготовлении световода, а с другой стороны, больше не возникают механические проблемы, такие как скручивание и сплющивание волокон из-за теплового расширения в процессе эксплуатации и при обработке в автоклаве.
Кроме того, предлагаемое в изобретении решение обеспечивает простое и экономичное изготовление осветительных приборов или устройств светоотверждения, излучаемый рабочий спектр которых может быть синтезирован путем аддитивного смешивания света светодиодов, имеющих различные спектры излучения, путем соответствующей электронной регулировки отличающихся светодиодов. Особенно удивительно, что в связи с особой конструкцией предлагаемого в изобретении решения, используя исключительно простейшие оптические средства можно достичь очень высокой степени гомогенизации в части интенсивности света и спектра излучения по всей пощади сечения световода, и в то же время улучшить кпд передачи света и уменьшить рассеяние энергии.
Предлагаемое в изобретении устройство смешивания света может быть преимущественно идеально размещено относительно светодиодов или полупроводниковых источников света. При этом параметры размещения могут быть выбраны таким образом, чтобы входная поверхность светосмесительного элемента располагалась "вне фокуса" соответствующих фокальных точек светодиодов или рефлекторов, входящих в состав полупроводниковых источников излучения, и, с одной стороны, наиболее полно освещалась пучками входящих лучей, и чтобы, с другой стороны, угловая область входящего излучения насколько возможно полно использовала входной или приемный конус, заданный числовой апертурой конца светосмесительного элемента, в который вводится свет.
Еще одним преимуществом предлагаемого в изобретении решения является исключение любого нежелательного дополнительного изгиба оптической траектории светового пути. В частности, как уже описано, в пределах моноволоконного светопроводящего стержня могут быть исключены любые изгибы, приводящие к значительным потерям света на пути света и существенно ухудшающим кпд.
Как ни странно, дополнительным преимуществом изобретения является то, что один светосмесительный элемент небольшой общей длины порядка величины диаметра светосмесительного элемента способен надлежащим образом смешивать свет от различно окрашенных светодиодных кристаллов или полупроводниковых источников излучения различных участков спектра излучения, так что надлежащим образом смешанный свет вводится в многоволоконный отрезок световода, и на поверхности испускания света отсутствуют какие-либо вариации цвета.
Согласно изобретению можно осуществить переход между моноволоконным и многоволоконным отрезками световода, обеспечивающий заданный индекс отражения. С этой целью может использоваться связующее или клеевой состав, индекс отражения которого соответствует оптическому материалу, использованному для изготовления световода.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается увеличить жесткость или армировать световод с помощью муфты, которая предпочтительно продолжается специально над местом перехода от моноволоконного к многоволоконному отрезку световода. Муфта дает дополнительное преимущество предотвращения резкого изменения жесткости, которое снижает нагрузочную способность световода при касательном напряжении сдвига, возникающем из-за латерального приложения к месту использования. Возникающие усилия по меньшей мере частично передаются многоволоконным отрезком световода более жесткому моноволоконному отрезку. Тем не менее способность изгибаться и гибкость в значительной мере сохраняются на переднем конце световода, т.е. в том месте, где на практике способность изгибаться имеет существенное значение.
Упомянутая муфта предпочтительно выполняется из металла, прежде всего из нержавеющей стали, и имеет стенку толщиной менее одной пятой, в частности менее одной пятнадцатой диаметра световода. Альтернативно муфта может выполняться из стойкой к высокой температуре пластмассы, прежде всего из сульфона, этеркетона или imid пластмассы, или пластичного композиционного материала, к которому подсоединяется световод, предпочтительно non-positively и/или жестко. Таким образом, с одной стороны, могут быть обеспечены требуемая термостойкость, механическая прочность и стабильность размеров соединительного интерфейса, а с другой стороны, благодаря упругим свойствам соответствующих пластмасс может быть обеспечена способность воспринимать перемещения, возникающие в результате теплового расширения, и ограничивать тепловые напряжения. В то же время соединительный интерфейс такого рода, выполненный из такой пластмассы, с одной стороны, позволяет целенаправленно использовать прессовую посадку и/или предварительный натяг между соединительным интерфейсом и светосмесительным элементом, который в данном случае может соединяться с соединительным интерфейсом предпочтительно non-positively и/или жестко, а с другой стороны, между соединительным интерфейсом и соединительным компонентом, к которому соединительный интерфейс может быть прикреплен без зазора и надежно в отношении температурных изменений с использованием прессовой посадки и/или предварительного натяга.
Наиболее предпочтительно, чтобы еще один переход выполнялся непосредственно от моноволоконного к многоволоконному отрезку световода, т.е. без воздушной прослойки, и чтобы индекс отражения изменялся в процессе перехода менее чем на 50%, в частности менее чем на 25%.
По сравнению с гибким моноволоконным световодом, известным из DE-OS 2352670, многоволоконный отрезок, кроме того, имеет преимущество, состоящее в том, что потери в выходе излучения снижаются по сравнению с прямой конфигурацией световода. Сильно изогнутый многоволоконный световод, как правило, характеризуется меньшим поглощением, чем моноволоконный световод, изогнутый с таким же радиусом, так что согласно изобретению прямой отрезок световода, выполненный из упомянутого (моноволоконного) типа световода, имеющего в таком случае наименьшие потери, объединяется с многоволоконным типом световода, имеющим наименьшие потери в зоне изгиба.
Особенно предпочтительно, когда многоволоконный отрезок содержит изгибающийся или загнутый в виде колена отрезок, в частности, по соседству с торцевой стороной, из которой испускается свет. Такая конструкция и конфигурация существенно улучшают и облегчают обращение с устройством. В таком случае потери света остаются на низком уровне.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается, чтобы моноволоконный отрезок имел длину, соответствующую по меньшей мере пятикратному диаметру световода. Следует понимать, что длина обоих отрезков может изменяться, например соответствовать двум, трем, до семи и даже десяти диаметрам световода.
Моноволоконный и/или многоволоконный отрезки обычно выполнены в виде конусов по меньшей мере на части их длин и, в частности, сходят на конус в направлении торцевой стороны, из которой испускается свет. При этом световод может быть выполнен более тонким, таким образом улучшая обращение с ним, например, во рту пациента, и/или энергия, излучаемая, например, большей по размеру решеткой светодиодов, может быть сконцентрирована, например, на меньшей обрабатываемой площади.
Согласно изобретению как моноволоконный отрезок, так и индивидуальные волокна многоволоконного отрезка состоят из стеклянной сердцевины и стеклянной оболочки. Как известно, стекло сердцевины и стекло оболочки сильно отличаются своими индексами отражения, что приводит к желаемому полному внутреннему отражению. Подобная коаксиальная конструкция светосмесительного элемента, выполненного из двух отличающихся прозрачных материалов, предпочтительно из двух типов стекла, имеющих отличающиеся индексы отражения, может снижать потери излучения благодаря полному внутреннему отражению и обеспечивать лучшую канализацию излучения. В отличие от обычных световодов, подобных широко используемым в области технологии световых волноводов, в упомянутом здесь светосмесительном элементе предпочтительно имеется большое отличие между обоими индексами отражения стекла сердцевины и стекла оболочки, которая обычно достигает 0,1 единицы. Относительно большое отличие такого рода между обоими индексами отражения увеличивает числовую апертуру светосмесительного элемента и также позволяет "захватывать" падающие световые лучи, которые существенно отличаются от оптической оси поверхности ввода света светосмесительного элемента, и таким образом обеспечивает расширение входного конуса излучения устройства генерации света. Еще одним преимуществом является то, что угловая область полного внутреннего отражения излучения, передаваемого в светосмесительном элементе, увеличивается, и коэффициент отражения значительно увеличивается. Вместо стекол для изготовления сердцевины и оболочки светосмесительного элемента могут использоваться другие прозрачные неорганические или керамические материалы, но также органические стекла с добавками или без добавок или прозрачные пластмассы.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается наносить покрытие на внешнюю поверхность моноволоконного или многоволоконного отрезка световода, но возможно, если это необходимо, и на внешнюю поверхность обоих отрезков, которое препятствует выходу света и в этом смысле является непрозрачным. Покрытие может быть выполнено в виде отражающего металла. Потери света внутри светосмесительного элемента могут быть дополнительно снижены с помощью дополнительного отражающего слоя, и в то же время может быть существенно увеличена числовая апертура светосмесительного элемента, так что угол приема входного конуса света светосмесительного элемента может быть значительно увеличен. Дополнительным аспектом является то, что отражение светового излучения, передаваемого по светосмесительному элементу, имеет место на двух поверхностях раздела в данном типичном варианте осуществления изобретения, и вследствие этого каждый световой луч, передаваемый рефлексивно по светосмесительному элементу, разделяется на два соответствующих подлуча, сдвинутых относительно друг друга, причем первый подлуч частично полностью отражается граничным слоем между сердцевиной и оболочкой светосмесительного элемента, а второй подлуч отражается внешним отражающим слоем светосмесительного элемента, таким образом еще больше улучшая гомогенизирующие свойства светосмесительного элемента.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается изгибать передний конец световода, являющийся частью многоволоконного отрезка, под заданным углом, например под углом 45° относительно оптической оси источника света, падающего на световод. Такая конструкция и конфигурация значительно улучшают и облегчают обращение с устройством.
В модифицированном варианте осуществления изобретения предлагается выполнять передний конец световода гибким, чтобы его можно было изгибать в зависимости от применения, например под углом 90° или даже больше 90°. Таким образом, еще больше может быть улучшено и облегчено обращение с устройством в конкретных случаях применения, например, в ротовой полости пациента, доступ в которую затруднен.
В любом случае особенно предпочтительно осуществлять надлежащее смешивание отличающихся цветов, излучаемых светодиодными кристаллами в моноволоконном отрезке, чтобы надлежащим образом смешанный свет поступал в многоволоконный отрезок и на поверхности испускания света не отсутствовали какие-либо вариации цвета.
При условии, что предлагаемое в изобретении связующее между моноволоконным и многоволоконным отрезками является стойким к температуре и связующее и отрезки световода имеют одинаковые индексы отражения, предлагаемый в изобретении световод является не только съемным, но и выполненным с возможностью обработки в автоклаве. Это важно, прежде всего, при применении в качестве стоматологических световодов и эндоскопов.
Установка световода относительно источника света может осуществляться любым подходящим способом, например с помощью переходника, который также позволяет световоду вращаться относительно источника света и быть съемным. Но также все другие варианты конструкции, используемые для соединения световода с устройством светоотверждения или осветительным устройством, предлагающиеся до настоящего времени в известном уровне техники, могут без проблем объединяться с предлагаемым в настоящем изобретении решением. Таким образом, соединительный интерфейс между источником света и устройством светоотверждения или осветительным устройством может быть адаптирован согласно техническим требованиям любым желаемым способом без необходимости разработки для этого специальных решений.
Согласно настоящему изобретению предпочтительно использовать световод в устройстве светоотверждения (или в источнике излучения), причем световод предпочтительно выполняется с возможностью изгибания относительно устройства светоотверждения (или источника излучения) и, в частности, крепится к нему с возможностью съема. Такая гибкость позволяет, например, стоматологу адаптировать точку и направление выхода светового конуса из световода к локализации поверхности зуба, подлежащего лечению. Возможность съема световода позволяет просто осуществлять его обработку в автоклаве, отдельно от устройства светоотверждения (или источника излучения).
Пространство между концом моноволоконного отрезка, в который вводится свет, и источником света может быть заполнено любым подходящим способом, например, кремнийорганическим соединением или иным прозрачным компаундом, индекс отражения которого в основном соответствует индексу отражения используемого стекла, так что происходят только незначительные потери на отражение на поверхности раздела сред. Также можно заливать пространство прозрачным компаундом.
Несмотря на то что здесь акцентируется внимание на использовании стекла как для моноволоконного, так и многоволоконного отрезков световода, следует понимать, что любые другие подходящие материалы, прежде всего прозрачные пластмассы, могут использоваться для создания световода.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения предлагается, чтобы моноволоконный отрезок световода имел длину, соответствующую по меньшей мере полуторакратному диаметру световода.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается, чтобы моноволоконный отрезок световода и/или оптические волокна многоволоконного отрезка состояли из стеклянной сердцевины и стеклянной оболочки. Подобная коаксиальная конструкция светосмесительного элемента, выполненного из двух прозрачных материалов, предпочтительно из двух типов стекла, имеющих отличающиеся индексы отражения, может снижать потери излучения благодаря полному внутреннему отражению и обеспечивать лучшую канализацию излучения. В отличие от обычных световодов, подобных широко используемым в области технологии световых волноводов, в упоминаемом здесь светосмесительном элементе предпочтительно имеется большая разница между обоими индексами отражения стекла сердцевины и стекла оболочки оптического стекловолокна, которая обычно достигает ОД единицы. Относительно большая разница такого рода между обоими индексами отражения увеличивает числовую апертуру светосмесительного элемента и также позволяет "захватывать" падающие световые лучи, которые существенно отличаются от оптической оси поверхности ввода светосмесительного элемента, и таким образом обеспечивает расширение входного конуса излучения устройства генерации света. Еще одним преимуществом является то, что угловая область полного внутреннего отражения излучения, передаваемого в светосмесительный элемент, увеличивается и коэффициент отражения существенно увеличивается.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается, чтобы внешние поверхности моноволоконного или многоволоконного отрезка световода, но возможно и оба отрезка имели, если это необходимо, покрытие, которое препятствует выходу света из световода и в этом смысле является непрозрачным. Потери света внутри светосмесительного элемента могут быть дополнительно снижены с помощью дополнительного отражающего слоя такого рода, и в то же время численная апертура светосмесительного элемента может быть значительно увеличена, так что угол приема входного конуса света светосмесительным элементом может быть значительно увеличен. Дополнительным аспектом является то, что отражение светового излучения, передаваемого по светосмесительному элементу, имеет место на двух поверхностях раздела в данном типичном варианте осуществления изобретения, и вследствие этого каждый световой луч, передаваемый рефлексивно по светосмесительному элементу, разделяется на два соответствующих подлуча, сдвинутых относительно друг друга, причем первый подлуч, частично полностью отражается граничным слоем между сердцевиной и оболочкой светосмесительного элемента, а второй подлуч отражается внешним отражающим слоем светосмесительного элемента, таким образом еще больше улучшая гомогенизирующие свойства светосмесительного элемента.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается соединять оба эти отрезка между собой с использованием клеевого состава и/или связующего, индекс отражения которого соответствует индексу отражения стекла. Таким образом, потери при переносе из-за отражений на поверхности раздела могут быть существенно снижены в силу двойного быстрого изменения индекса отражения.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается окружать по меньшей мере моноволоконный отрезок муфтой.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается продолжать муфту по меньшей мере частично над переходом от моноволоконного к многоволоконному отрезку световода, чтобы по меньшей мере часть многоволоконного отрезка, следующего за моноволоконным отрезком, была также окружена муфтой. Это приводит к существенному повышению жесткости механического соединения обоих отрезков световода и передаче потока усилия через подвергающееся механическому воздействию место соединения отрезков световода. Муфта дает дополнительное преимущество предотвращения резкого изменения жесткости, которое снижает нагрузочную способность световода при касательном напряжении сдвига, возникающем из-за латерального приложения к месту использования. Возникающие усилия по меньшей мере частично передаются многоволоконным отрезком более жесткому моноволоконному отрезку световода. В то же время способность изгибаться и гибкость в значительной мере сохраняется на переднем конце световода, т.е. в упомянутом месте, где на практике способность изгибаться имеет существенное значение.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается, чтобы диаметр световода составлял 6-13 мм.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается выполнять моноволоконный и/или многоволоконный отрезки в виде конусов по меньшей мере на части их длин. Таким образом, световод может быть выполнен более тонким, что облегчает обращение с ним, например, во рту пациента, и/или энергия, излучаемая, например, большей по размеру решеткой светодиодов, может быть сконцентрирована, например, на меньшей площади обработки.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается, чтобы торцевая сторона световода, в которую вводится свет, располагалась на моноволоконном отрезке и чтобы торцевая сторона испускания света располагалась на многожильном отрезке. Таким образом, с одной стороны, может быть существенно улучшены смешивание света и его гомогенизация и минимизированы потери. С другой стороны, такой вариант осуществления изобретения обладает преимуществом в части конструкции (угол смещения, изгиб в виде колена) световода или наличия гибкой концевой секции.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается, чтобы многожильный отрезок содержал гнущийся или изогнутый участок. Такие конструкция и конфигурация значительно улучшают и облегчают обращение с устройством. Таким образом потери света поддерживаются на низком уровне.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается, чтобы поверхность испускания света многожильного отрезка продолжалась под углом от 2 до 90° относительно поверхности ввода света, проходящей перпендикулярно продольному протяжению моноволоконного отрезка. Такие конструкция и конфигурация значительно улучшают и облегчают обращение с устройством.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается, чтобы на конце моноволоконного отрезка со стороны ввода света имелся соединительный интерфейс для соединения с фотополимеризатором (или источником излучения), с помощью которого может осуществляться полимеризация пломбировочного материала. Это обеспечивает гибкое соединение и отсоединение световода от фотополимеризатора (или источника излучения), причем световод может обрабатываться в автоклаве отдельно от устройства.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается выполнять соединительный интерфейс в виде муфты, жестко соединенной с устройством светоотверждения (или источником излучения) и гибко соединяемой с концом моноволоконного световода со стороны ввода света. Такой подход представляет собой вариант осуществления изобретения, особенно предпочтительный с точки зрения механики.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения светосмесительный элемент может выполняться вращательно симметричным. Соответственно такой подход представляет собой особенно функциональное решение, кроме того, включающее в себя существенную адаптацию оптических характеристик светосмесительного элемента в части гомогенизирующих свойств при заданной общей длине, например, адаптацию к геометрическим оптическим путям излучения, которые предопределены заранее относительно устройства генерации света, любые необходимые адаптации в части числовой апертуры, относящиеся к концу светосмесительного элемента, в который вводится свет, и между светосмесительным элементом и многоволоконным отрезком световода. Кроме того, с одной стороны, можно адаптировать размер поверхности ввода света светосмесительного элемента к геометрии устройства генерации света, а с другой стороны, например, концентрировать энергию света на многоволоконный отрезок, имеющий меньший диаметр. Кроме того, например, изогнутые участки стенки или уменьшение на конус сечения светосмесительного элемента могут оказывать влияние и изменять углы отражения световых лучей, которые полностью внутренне отражаются в пределах светосмесительного элемента, и гомогенизация света в светосмесительном элементе может быть дополнительно улучшена за счет большего числа отражений света.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения светосмесительный элемент может быть выполнен цилиндрическим и предпочтительно иметь плоскую поверхность ввода и/или испускания света. Такая конструкция светосмесительного элемента может быть реализована технически наиболее просто и вследствие этого отличается низкой стоимостью производства, в то же время на удивление обеспечивая высокую степень гомогенизации в части распределения интенсивности и кривых спектрального излучения по всей выходной поверхности многоволоконного отрезка световода.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения поверхности ввода и испускания света могут быть полированными поверхностями и/или иметь поверхностное покрытие или другие снижающие отражение покрытия и/или контактировать с иммерсионной средой. Такая полированная поверхность, остаточная поверхностная неровность которой предпочтительно составляет небольшую долю основной длины волны используемого света, улучшает прозрачность светосмесительного элемента и снижает соответственно потери света. Альтернативно или дополнительно поверхностное покрытие или другие снижающие отражение покрытия могут использоваться для поверхностей ввода и/или испускания света светосмесительного элемента. Такая мера позволяет дополнительно снизить потери света при его прохождении через светосмесительный элемент. Альтернативно или дополнительно к вышеупомянутым мерам на соответствующих поверхностях светосмесительного элемента можно также использовать иммерсионные средства, такие как иммерсионное масло, например кремнийорганическое масло, полностью заполняя иммерсионным средством промежуток между светосмесительным элементом и, например, многоволоконным отрезком световода или защитным стеклом светодиодов или полупроводниковых источников излучения, имеющих соответствующие рефлекторы, и, таким образом, вместо фазы перехода твердое вещество-воздух-твердое вещество имеет место фаза перехода твердое вещество-жидкость-твердое вещество. Более высокий по сравнению с воздухом индекс отражения иммерсионного средства позволяет еще больше снизить потери света из-за отражения от поверхности раздела, и затем снова может происходить адаптация численной апертуры соединенных между собой оптических компонентов.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения светосмесительный элемент имеет по меньшей мере светопроводящую сердцевину, предпочтительно выполненную из стеклянного стержня, имеющего первый индекс отражения, и светопроводящей оболочки, предпочтительно выполненной из стекла, имеющего второй индекс отражения, причем второй индекс отражения меньше первого индекса отражения предпочтительно на 0,1 единицы. Подобная коаксиальная конструкция светосмесительного элемента, выполненного из двух отличающихся прозрачных материалов, предпочтительно из двух типов стекла, имеющих отличающиеся индексы отражения, позволяет снижать потери излучения благодаря полному внутреннему отражению и обеспечивать лучшую канализацию излучения. В отличие от обычных световодов, подобных широко используемым в области технологии световых волноводов, в упомянутом здесь светосмесительном элементе предпочтительно имеется большое отличие между обоими индексами отражения стекла сердцевины и стекла оболочки оптического стекловолокна, которая обычно достигает 0,1 единицы. Относительно большая разница такого рода между двумя индексами отражения увеличивает числовую апертуру светосмесительного элемента и также позволяет "захватывать" падающие световые лучи, которые существенно отличаются от оптической оси поверхности ввода света светосмесительного элемента, и, таким образом, обеспечивает расширение входного конуса излучения устройства генерации света. Еще одним преимуществом является то, что угловая область полного внутреннего отражения излучения, передаваемого в светосмесительный элемент, увеличивается, и коэффициент отражения значительно увеличивается. Вместо стекол для изготовления сердцевины и оболочки светосмесительного элемента могут использоваться другие прозрачные неорганические или керамические материалы, но также органические стекла с или без добавок или прозрачные пластмассы.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения светосмесительный элемент может иметь улучшающее отражение покрытие или отражающую муфту по своей периферийной поверхности. Потери света внутри светосмесительного элемента могут быть дополнительно снижены с помощью дополнительного отражающего слоя такого рода, и в то же время численная апертура светосмесительного элемента может быть значительно увеличена, так что угол приема входного конуса света светосмесительного элемента может быть значительно увеличен. Дополнительным аспектом является то, что отражение светового излучения, передаваемого по светосмесительному элементу, имеет место на двух поверхностях раздела в данном типичном варианте осуществления изобретения, и вследствие этого каждый световой луч, передаваемый с отражениями рефлексивно по светосмесительному элементу, разделяется на два соответствующих подлуча, сдвинутых относительно друг друга, причем первый подлуч, частично полностью отражается граничным слоем между сердцевиной и оболочкой светосмесительного элемента, а второй подлуч отражается внешним отражающим слоем светосмесительного элемента, таким образом еще больше улучшая гомогенизирующие свойства светосмесительного элемента.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения диаметр светосмесительного элемента составляет предпочтительно от 2 до 20 мм, в частности предпочтительно от 6 до 15 мм, еще более предпочтительно от 8 до 13 мм, а длина светосмесительного элемента составляет больше половины диаметра, в частности больше 0,8 диаметра и предпочтительно меньше пятикратного диаметра, в частности меньше двукратного диаметра светосмесительного элемента. Такие размеры представляют собой наиболее предпочтительные конструктивные размеры по отношению к геометрии светосмесительного элемента. Таким образом, оптимальное смешивание и гомогенизация света могут быть достигнуты при минимальных внешних размерах. Кроме того, заданные диаметры учитывают геометрические оптические условия в части размера устройства генерации света и входного диаметра многоволоконного отрезка световода, обычно используемого в данных областях медицины и стоматологии.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения светосмесительный элемент может иметь соединительный интерфейс, предпочтительно выполненный из стойкой к высокой температуре пластмассы, прежде всего из сульфона, этеркетона или imid пластмассы, или пластичного композиционного материала, к которому присоединяется светосмесительный элемент предпочтительно non-positively и/или жестко, причем соединительный интерфейс выполнен соединяемым со световодом и/или устройством генерации света предпочтительно с самосовмещением. Такой подход представляет собой особенно предпочтительную конструкцию для монтажа светосмесительного элемента на траектории луча осветительного устройства или устройства светоотверждения. Таким образом, соединительный интерфейс может быть соединен со световодом и/или устройством генерации света на или в корпусе осветительного устройства или устройства светоотверждения, причем соединительный интерфейс предпочтительно выполнен таким образом, что он самонастраивается относительно световода и/или устройства генерации света и располагается точно на траектории луча и не требует дополнительных монтажных и настоечных операций. В этой связи соединительный интерфейс изготавливают по меньшей мере в основном предпочтительно из стойкой к высокой температуре пластмассы, прежде всего из сульфона, этеркетона или imid пластмассы, или пластичного композиционного материала. Таким образом, с одной стороны, могут быть обеспечены требуемая термостойкость, механическая прочность и стабильность размеров соединительного интерфейса, а с другой стороны, благодаря упругим свойствам соответствующих пластических материалов достигается способность воспринимать перемещения, возникающие в результате теплового расширения, и ограничивать тепловые напряжения. В то же время соединительный интерфейс такого рода, выполненный из такой пластмассы, позволяет целенаправленно использовать прессовую посадку и/или предварительный натяг между соединительным интерфейсом и светосмесительным элементом, с одной стороны, который в данном случае может соединяться с соединительной поверхностью предпочтительно non-positively и/или жестко, а с другой стороны, между соединительным интерфейсом и соединительным компонентом, к которому соединительный интерфейс может быть прикреплен без зазоров и надежно в отношении температурных изменений с использованием прессовой посадки и/или предварительного натяга.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения поверхности ввода и/или испускания света светосмесительного элемента могут быть выполнены не плоскими. Таким образом, например, можно выполнить соответствующие поверхности светосмесительного элемента волнистыми или волнообразными, например в виде концентрических круговых волн, возникающих на воде после падения камня. В результате такой конструкции входящий и исходящий световые лучи в отличие от плоских поверхностей, отражаются слегка отклоняясь в радиальном направлении светосмесительного элемента и распределяются в пределах большей угловой области, тем самым существенно усиливая эффект смешивания света в светосмесительном элементе. Аналогичный эффект может быть достигнут с использованием фасеточной конструкции поверхности или выполнения соответствующих поверхностей светосмесительного элемента в виде линз Френеля с передней стороны. Кроме того, также можно выполнять соответствующие поверхности светосмесительного элемента выпуклыми или вогнутыми, чтобы таким образом увеличивать углы приема входящего светового конуса или осуществлять адаптацию в части числовой входной и/или выходной апертур и, таким образом, например, ограничивать дивергенцию входного луча от светосмесительного элемента и адаптировать его к числовой апертуре многоволоконного отрезка световода.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления изобретения светосмесительный элемент может быть предложен и сконфигурирован для модернизации осветительного устройства или устройства светоотверждения и выполнен с возможностью установки между световодом и корпусом устройства генерации света или устройства светоотверждения, предпочтительно в муфте. Такой подход создает возможность дооборудования существующих осветительных устройств или устройств светоотверждения, находящихся в эксплуатации, предлагаемым в изобретении полезным светосмесительным элементом, и, таким образом, улучшая их кпд и наделяя их оригинальными преимуществами.
Прочие преимущества, подробности и отличительные признаки вытекают из нижеследующего описания двух типичных вариантов осуществления изобретения с прилагаемыми к описанию чертежами, на которых показано:
на Фиг. 1 - схематичный вид сечения предлагаемого в изобретении варианта выполнения световода,
на Фиг. 2 - схематичный вид сечения еще одного предлагаемого в изобретении варианта выполнения световода.
Световод 10, показанный на Фиг. 1, содержит моноволоконный отрезок 12 и многоволоконный отрезок 14. Оба отрезка 12 и 14 имеют одинаковый диаметр и соединяются друг с другом встык на переходе 16. Моноволоконный отрезок 12 расположен вблизи торцевой стороны 18 световода 10, в которую вводится свет, а многоволоконный отрезок 14 расположен вблизи торцевой стороны 20 световода 10, из которой испускается свет.
Моноволоконный отрезок продолжается прямолинейно и в показанном примере осуществления составляет приблизительно три четверти длины световода. Многоволоконный отрезок 14 составляет остающуюся, т.е. переднюю, четверть световода и изогнут вблизи конца 20 под углом приблизительно 60°.
Ось 22 испускания света соответственно продолжается под углом 60° относительно оси 24 ввода света.
Как моноволоконный отрезок 12, так и многоволоконный отрезок 14 имеют снаружи оболочку 26 (на чертеже подробно не показана), выполненную подобно покрытию, которая отражает световое излучение, падающее на него изнутри обратно вовнутрь.
Моноволоконный отрезок выполнен в виде сплошного стержневого световода, окруженного оболочкой 26. В отличие от этого многоволоконный отрезок 14 состоит из множества светопроводящих или оптических волокон 30, например из 100-500 отдельных светопроводящих волокон, как это схематично показано на Фиг. 1. В показанном примере осуществления изобретения многоволоконный отрезок 14 выполнен также жестким.
На переходе 16 оба отрезка 12 и 14 соединены между собой с помощью связующего. Светопроводящий стержень моноволоконного отрезка, светопроводящие или оптические волокна 30 многоволоконного отрезка 14 и связующее (на чертеже не показано) имеют одинаковые индексы отражения соответственно, так что отражения на границах раздела по возможности исключаются.
Моноволоконный отрезок 12 имеет на своей торцевой стороне 18, в которую вводится свет, вставную муфту 32. С помощью упомянутой вставной муфты 32 световод 10 поддерживается в соответствующей розетке штепсельного соединения фотополимеризатора, розетка которого выполнена известным по сути способом и здесь не показана.
Ввод света в торцевую сторону 18 осуществляется с помощью источника 34 света, содержащего несколько отдельных светодиодных кристаллов, некоторые из которых показаны на Фиг. 1, а именно кристаллы 36 и 38. Выход света от источника света 34 группируется в пучок сам по себе известным способом с помощью рефлектора 40. Пространство 42 между источником 34 света и концом 18 световода заполнено кремнийорганическим соединением или другим компаундом, индекс отражения которого приблизительно равен индексу отражения стекла.
Кристаллы 36 и 38 установлены на охлаждающем элементе 44, рассеивающем тепло, вырабатываемое кристаллами.
Кристаллы 36 и 38 имеют отличающиеся максимумы излучения и могут управляться раздельно.
Если включены все светодиодные кристаллы источника света 34, то пространство 42 заполнено светом различных цветов. В моноволоконном отрезке 12 в любом случае происходит хорошее смешивание света, так что в оптические волокна 30 поступает белый свет.
На Фиг. 2 показан еще один вариант выполнения предлагаемого в изобретении световода. В отличие от варианта на Фиг. 1 многоволоконный отрезок 14 выполнен в данном варианте выполнения гибким. В показанном типичном варианте осуществления изобретения ось 22 испускаемого оптического излучения расположена под углом приблизительно 45° относительно оси 24 ввода света; однако следует иметь в виду, что также возможны любые другие положения оси 22, и даже перенаправление света под углом, близким к 180°.
В данном типичном варианте осуществления изобретения переход 16 окружен муфтой 50, предназначенной для придания жесткости переходу, что позволяет предотвращать разрыв находящегося в переходе связующего при большой механической нагрузке.
Как видно из Фиг. 2, светопроводящий стержень может целиком вращаться с помощью световодов 10; это также возможно в варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг. 1. В варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг. 2, в качестве источника 34 света используется только один кристалл 36, установленный по центру охлаждающего элемента 44. Пространство 42 достаточно мало, что уже благоприятно из-за того, что кремнийорганическое соединение типично вызывает большие потери света, чем стекло. В этой связи пространство 42 на Фиг. 1 показано подчеркнуто увеличенным; на практике длина пространства 42 составляет, например, одну треть или меньше диаметра световода 10.
Согласно Фиг. 1 диаметр световода составляет до 12 мм, а согласно Фиг. 2 - до 5 мм, причем следует понимать, что диаметр световода может принимать любое подходящее значение, оставаясь при этом в рамках объема настоящего изобретения. То же относится к распределению длины световода между моноволоконным и многоволоконным отрезками.
Например, один моноволоконный отрезок может иметь длину, по меньшей мере в восемь раз превышающую его диаметр. В показанном на Фиг. 2 варианте осуществления изобретения длина многоволоконного участка 14 составляет приблизительно две пятых общей длины световода 10, а длина моноволоконного отрезка соответственно составляет одну пятую общей длины световода.
Все подробности и размеры описанных вариантов осуществления изобретения следует понимать как примерные и могут изменяться, оставаясь в рамки объема формулы изобретения. Несмотря на то что изобретение описано здесь в связи с его применением в стоматологическом устройстве светоотверждения, следует также иметь ввиду, что основные идеи изобретения также успешно используются в других устройствах, требующих световодов, использующихся, например, при проведении медицинских исследований, в лабораторных и промышленных целях.