DE102010013835A1 - Method for coupling light that is emitted from white light LED chip in coupling surface of light guidance cable or fiber bundle in endoscope, involves grounding surface mold at coupling surface so that coupling efficiencies are maximum - Google Patents

Method for coupling light that is emitted from white light LED chip in coupling surface of light guidance cable or fiber bundle in endoscope, involves grounding surface mold at coupling surface so that coupling efficiencies are maximum Download PDF

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Abstract

The method involves grounding a surface mold at a coupling surface that is assigned to a LED-chip (6) as a truncated cone, pyramid and spherical convex type such that a surface coupling efficiency and an angular coupling efficiency between the arbitrary designed LED-chip and arbitrary designed light conductor bundles are maximum. A fiber cone or glass cone depends on area size, area geometry and diameter ratio of the coupling surface and exhibits length that ranges from 10 mm to 5 m. Small and larger diameters of the fiber cone or glass cone are utilized as a coupling point at the LED-chip. An independent claim is also included for a device for coupling the light that is emitted from the LED chip in the coupling surface of the light guidance cable or fiber bundle in an endoscope.

Description

Die Erfindung beschäftigt sich mit der Einkopplung von Licht, welches von LED, bevorzugt weißen LED, emittiert wird, in Faserbündel z. B. zur Anwendung in der Endoskopie.The invention is concerned with the coupling of light, which is emitted by LED, preferably white LED, in fiber bundles z. B. for use in endoscopy.

In den letzten Jahren haben die LED, die ein weißes Licht emittieren, Eingang in Beleuchtungen für die Endoskopie gefunden. Dabei geht es im Wesentlichen darum, möglichst viel des von den erhältlichen LED-Bauelementen emittierten Lichtes in Faserbündel unterschiedlicher Durchmesser einzukoppeln. Die vorhandenen LED werden sowohl als Chip-LED, als auch mit aufgesetzter Linse, oder auch mit Fenster angeboten und besitzen sehr unterschiedliche Abmessungen.In recent years, the LEDs that emit a white light have found entrance into illuminations for endoscopy. The main purpose is to couple as much as possible of the light emitted by the available LED components into fiber bundles of different diameters. The existing LED are offered both as a chip LED, as well as with attached lens, or even with windows and have very different dimensions.

Es sind sehr viele Lösungen offeriert worden, das emittierte Licht dieser LED in Faserbündel zu koppeln. Dies kann auf klassische Weise mittels Linsen geschehen, wie es z. B. in der DE 102007027615 und in vielen anderen Anwendungen gezeigt wird. Die bisher hierzu vielfältigen Ausführungen von Linsensystemen in Patentschriften und in Veröffentlichungen haben den entscheidenden Nachteil, dass Optiksysteme aus mehreren Linsen (z. B. Kollimatorsysteme) aufgebaut werden müssen. Die Linsensysteme sind zudem sehr groß und teuer. Die Durchmesser dieser Linsensysteme sind bei Übertragung der meist großen Abstrahlwinkel der LED meist viel größer als die LED und die Faserbündel selbst. Um die optischen Übertragungswege dieser Optiken klein zu halten und den notwendigen Bauraum zu minimieren, müssen die eingesetzten Linsen sehr kurzbrennweitig sein. Teilweise müssen Asphären eingesetzt werden um die erforderliche Winkeltransformation für eine Einkopplung in Faserbündel zu realisieren. Aufgrund der mehreren eingesetzten Linsen geht ein Teil des emittierten Lichtes der LED durch Reflexion und Streuung an den Linsenflächen verloren, was besonders nachteilig ist.Many solutions have been offered to couple the emitted light of this LED into fiber bundles. This can be done in the classical way by means of lenses, such as z. B. in the DE 102007027615 and shown in many other applications. The hitherto diverse designs of lens systems in patents and in publications have the decisive disadvantage that optical systems have to be constructed from a plurality of lenses (eg collimator systems). The lens systems are also very large and expensive. The diameters of these lens systems are usually much larger than the LED and the fiber bundles themselves when transmitting the usually large beam angles of the LEDs. In order to keep the optical transmission paths of these lenses small and to minimize the necessary installation space, the lenses used must be very short-focal length. In some cases, aspheres have to be used to realize the required angular transformation for coupling into fiber bundles. Due to the multiple lenses used, a portion of the emitted light of the LED is lost by reflection and scattering on the lens surfaces, which is particularly disadvantageous.

Die Einkopplung in Faserbündel wird auch mittels optischer Elemente aus PMMA versucht, die als besondere dreidimensionale Strahlführungsgebilde ausgebildet sind, die in großer Zahl kommerziell angeboten werden. Hier werden rotationssymmetrische Elemente bereitgestellt, die möglichst alle, von der LED in ihren Raumwinkel emittierten Strahlen auffangen und mittels sphärischer oder asphärischer oder auch teilweise reflektierender Flächenteile in eine gewünschte Richtung lenken sollen. Ein Beispiel hierzu ist die US 2006/0044820 , in welcher einige der sehr speziellen Strahlführungs-Bauelemente beschrieben sind. Nachteilig bei diesen Elementen sind deren Abmessungen, da aufgrund der erforderlichen Raumwinkel diese Elemente im Durchmesser mehrfach größer als die LED selbst sind. Nachteilig ist hier auch der sehr hohe Preis für diese präzisionsgedrehten Teile bei kleinen Stückzahlen. Für neu zu entwickelnde Endoskope ist eine Anpassung dieser Elemente meist nur durch eine Neuberechnung und individuelle Anfertigung möglich. Das trifft ebenso auf die zu verwendenden LED zu. Für jeden LED-Typ muss ein spezielles Element berechnet und hergestellt werden.The coupling into fiber bundles is also attempted by means of optical elements made of PMMA, which are designed as special three-dimensional beam guiding structures, which are commercially available in large numbers. Here, rotationally symmetric elements are provided which are intended to catch as many as possible of all the rays emitted by the LED in their solid angle and to guide them in a desired direction by means of spherical or aspherical or even partially reflecting surface parts. An example of this is the US 2006/0044820 in which some of the very special beam guiding components are described. A disadvantage of these elements are their dimensions, since due to the required solid angle, these elements are several times larger in diameter than the LED itself. The disadvantage here is also the very high price for these precision turned parts in small quantities. For newly developed endoscopes, an adaptation of these elements is usually only possible through recalculation and customization. This also applies to the LED to be used. For each type of LED, a specific element must be calculated and manufactured.

Ähnlich wie die beschriebenen Strahlführungselemente sind auch hochspezielle Reflektoren für LED entwickelt worden, die möglichst alle emittierten Lichtstrahlen sammeln und in eine Richtung lenken sollen. Bei beiden Strahlführungsbauteilen, den optischen Elementen und den Reflektoren besteht der große Nachteil, dass bei der absichtlich erzwungenen guten Winkelkonversion die Austrittsflächen sehr groß werden und somit ein großer Anteil der Strahlung nicht in die Faserbündel eingekoppelt werden kann.Similar to the beam guiding elements described, highly specific reflectors for LEDs have also been developed, which should collect as much as possible all emitted light beams and direct them in one direction. In the case of both beam guidance components, the optical elements and the reflectors, there is the great disadvantage that in the deliberately forced good angular conversion the exit surfaces become very large and thus a large proportion of the radiation can not be coupled into the fiber bundles.

Zur Einkopplung des Lichtes der LED ist es sehr viel besser, als mit Linsensystemen möglich, die Faserbündel und die LED-Chipflächen in direkten Kontakt miteinander zu bringen, wie es in der US 7229201 ausführlich beschrieben wurde (sog. Stoßkopplung). Hier wurden bisher gegenüber allen anderen bekannten Verfahren die besten Einkoppelergebnisse erzielt. Der Nachteil dieser Stoßkopplung besteht darin, dass die kommerziell erhältlichen Faserbündel-Durchmesser oder auch die in den Endoskopen zur Anwendung kommenden Faserbündel-Durchmesser nicht an alle gängigen LED-Chipgrößen angepasst sind bzw. nicht angepasst werden können. In der beschriebenen US-Patentschrift sind die dargestellten Faserbündel kleiner als der eigentliche LED-Chip dargestellt, was generell zu Verlusten in den Ecken führt (Inkreis). Da die LED-Chips in der Regel quadratisch oder rechteckig sind, ist es zur vollen Lichtübertragung notwendig, bei einer Stoßkopplung Faserbündel-Durchmesser zu verwenden, die größer sind als die LED-Chipfläche (Umkreis). Damit verbunden wäre bei vielen LED eine Verletzungsgefahr für die Bonddrähte.For coupling the light of the LED it is much better than with lens systems possible to bring the fiber bundles and the LED chip surfaces into direct contact with each other, as it is in the US 7229201 has been described in detail (so-called shock coupling). Here, the best Einkoppelergebnisse have been achieved over all other known methods. The disadvantage of this butt coupling is that the commercially available fiber bundle diameters or also the fiber bundle diameters used in the endoscopes are not adapted to all current LED chip sizes or can not be adapted. In the described US patent, the illustrated fiber bundles are shown smaller than the actual LED chip, which generally leads to losses in the corners (inscribed circle). Since the LED chips are typically square or rectangular, it is necessary for full light transmission to use fiber bundle diameters larger than the LED chip area (perimeter) in a butt coupling. This would be associated with many LEDs a risk of injury to the bonding wires.

Auch in der US20030219207 wird ein auf die LED-Chipfläche aufgesetztes Faserbündel beschrieben, welches aufgrund der Bonddrähte kleiner sein muss als die gesamte Chipfläche. In dieser Patentschrift wird auch abweichend von allen bekannten realisierten LED, eine konkave LED-Chipfläche beansprucht, was besonders nachteilig ist.Also in the US20030219207 a fiber bundle placed on the LED chip surface is described which, due to the bonding wires, must be smaller than the entire chip surface. Deviating from all known realized LED, this patent also claims a concave LED chip surface, which is particularly disadvantageous.

Auch für die LED, die eine auf den Chip aufgeklebte Linse aufweisen, ist eine Einkopplung in ein Faserbündel derart möglich, indem das Faserbündel direkt auf die Linsenkuppe oder auf ein Fenster vor dem Chip aufgesetzt wird, wie es z. B. in der US2009/0040783 beschrieben wird. Auch das Entfernen der Linsen oder das Abschleifen von vorhandenen Linsen auf LED-Bauelementen sind in diesen Veröffentlichungen beansprucht. Der Nachteil einer Kopplung von Faserbündeln auf Linsenkuppen von LED oder auf gefensterte LED-Chips besteht darin, dass, je weiter entfernt vom LED-Chip das Empfangs-Faserbündel angeordnet wird, aufgrund der Strahldivergenz der von der LED emittierten Strahlen die Fläche des Strahlenquerschnittes größer wird. Damit müssten zur möglichst effektiven Übertragung der in den Raumwinkel emittierten Strahlung die Durchmesser der Faseroptikbündel mit zunehmendem Abstand vom Chip größer gewählt werden, was in der Regel nicht immer möglich ist. Es ist zu sehen, dass Verfahren der Stoßkopplung und der Kopplung auf Linsen aufgrund schlechter flächenmäßiger Anpassung eine nicht ausreichende Koppeleffizienz bringen können und nicht für alle, z. B. in einem Endoskop eingebauten, Faserbündel geeignet sind. Muss die vorhandene Linse oder das Fenster von einem LED-Chip entfernt werden, kann das zur Verletzung der empfindlichen Konversionsschicht führen. Auch das Aufsetzen des Faserbündels direkt auf die Konversionsschicht kann zu Verletzungen der Konversionsschicht führen.Also, for the LED, which have a lens glued on the chip, a coupling into a fiber bundle is possible by the fiber bundle is placed directly on the Linsenkuppe or on a window in front of the chip, as z. B. in the US2009 / 0040783 is described. The removal of the lenses or the grinding of existing lenses on LED devices are in these Publications claimed. The disadvantage of a coupling of fiber bundles on lens caps of LED or on windowed LED chips is that the farther away from the LED chip the receiving fiber bundle is arranged, due to the beam divergence of the rays emitted by the LED, the area of the beam cross section becomes larger , In order for the most effective possible transmission of the radiation emitted into the solid angle, the diameters of the fiber optic bundles would have to be larger with increasing distance from the chip, which is generally not always possible. It can be seen that methods of shock coupling and coupling to lenses due to poor areal matching can not provide sufficient coupling efficiency and not for all, eg. B. installed in an endoscope, fiber bundles are suitable. If the existing lens or window has to be removed from an LED chip, this can lead to the violation of the sensitive conversion layer. Also, placing the fiber bundle directly on the conversion layer can lead to violations of the conversion layer.

Bei vielen LED-Chips befinden sich im Gegensatz zu den in den obigen Patentschriften dargestellten Bildern die Bonddrähte auf der lichtemittierenden Seite, die somit einen direkten Kontakt von Faserbündelstirnflächen über die ganze LED-Fläche verhindern und die maximal aufzusetzenden Bündeldurchmesser noch verkleinern.In many LED chips, in contrast to the images shown in the above patents, the bonding wires are on the light-emitting side, which thus prevent direct contact of fiber bundle end faces over the entire LED surface and reduce the maximum bundling diameter aufzusetzenden.

Um bei diesen Verfahren der Stoßkopplung oder des direkten Aufsetzens auf LED-Chips oder Linsenkuppen oder Fenster möglichst viele emittierte Lichtstrahlen zu erfassen, sind vielfach Faserkegel zur Anwendung gekommen. Wie z. B. in der US2009/0122573 beschrieben, wird der Faserkegel zur Aperturwandlung und Größenanpassung genutzt, indem er mit seinem kleinen Durchmesser auf den LED-Chip aufgesetzt wird und der große Durchmesser des Faserkegels in Kontakt mit dem zu nutzenden Faserbündel kommt. Die Nachteile hierbei sind ebenfalls die Anpassung der Durchmesser der kleinen Seite des Faserkegels an den LED-Chip, der ja als Umkreis um den LED-Chip ausgeführt werden muss um möglichst viele Strahlen aufzunehmen, wobei dann evtl. Bonddrähte beschädigt werden können. Bei Einsatz eines Faserkegels ist die Frage des Aspektverhältnisses, also des Quotienten aus kleinem Faserdurchmesser zu großem Faserdurchmesser entscheidend. Durch dieses Aspektverhältnis, durch die Notwendigkeit der Anpassung an die Fläche der LED (Umkreis) und der Anpassung an das weiterführende Faserbündel sind der Anwendung eines Faserkegels Grenzen gesetzt.In order to detect as many emitted light beams as possible in these methods of butt coupling or direct placement on LED chips or lens caps or windows, fiber cones have been used in many cases. Such as B. in the US2009 / 0122573 described, the fiber cone is used for aperture conversion and size adjustment by being placed with its small diameter on the LED chip and the large diameter of the fiber cone comes into contact with the fiber bundle to be used. The disadvantages here are also the adaptation of the diameter of the small side of the fiber cone to the LED chip, which must indeed be performed as a perimeter around the LED chip to record as many rays, then possibly bonding wires can be damaged. When using a fiber cone, the question of the aspect ratio, ie the quotient of small fiber diameter to large fiber diameter, is decisive. This aspect ratio, the need to adapt to the area of the LED (perimeter), and adapt to the continuity of the fiber bundle, limits the use of a fiber cone.

Die Ausführungsformen aller bekannter LED-Chips sind quadratisch oder rechteckig, die Ausführungsformen bekannter Lichtleitkabel-Einkopplungsflächen sind rund, so daß hier eine nicht angepasste Flächenkopplung vor liegt. Wird der einkoppelnde Durchmesser größer gewählt, als die Diagonale des LED-Chips (Umkreis), so sind Anteile (Kreisabschnitte) vorhanden, in denen kein Licht übertragen wird. Wird der Durchmesser der auf Stoßkopplung gekoppelten Lichtleitkabel kleiner gewählt, als der Durchmesser des LED-Chips (Inkreis), so geht die Strahlung des Chips, die aus den überstehenden Randbereichen kommt, verloren. Problematisch wird dies, wenn LED-Bauelemente mit Linsen genutzt werden, Hier muss die aufzusetzende Lichtleitbündel-Einkopplungsfläche einen größeren Durchmesser als der LED-Chip aufweisen, um alle Strahlen zu erfassen. Wird hier z. B. ein bekannter Faserkegel zur Kopplung benutzt, dann sind diese Fehlanpassungen in der Geometrie der Fläche ebenso bei der runden Einkoppelfläche des Faserkegels vorhanden. Zusätzlich kommt beim Faserkegel oder Glaskegel die Winkelkonversion zwischen Einkoppelfläche und Auskoppelfläche als zu berücksichtigender Parameter hinzu. Damit wird es sehr problematisch, bei vorgegebenen LED-Bauelementen und vorgegebenen Bündeldurchmessern von Beleuchtungsfaserbündeln in der Endoskopie entsprechende Faserkegel oder Glaskegel zu finden, die ein angepasstes Aspektverhältnis (Kleiner Durchmesser zu großer Durchmesser) für einen minimalen Verlust haben.The embodiments of all known LED chips are square or rectangular, the embodiments of known Lichtleitkabel coupling surfaces are round, so that here is an unmatched surface coupling before. If the coupling diameter is chosen to be larger than the diagonal of the LED chip (circumference), there are portions (circular sections) in which no light is transmitted. If the diameter of the light guide cable coupled to the shock coupling is selected to be smaller than the diameter of the LED chip (inscribed circle), then the radiation of the chip coming from the protruding edge regions is lost. This is problematic when LED components are used with lenses, Here, the aufzusetzende Lichtleitbündel coupling surface must have a larger diameter than the LED chip to detect all the rays. Is here z. B. a known fiber cone used for coupling, then these mismatches in the geometry of the surface are also present in the round coupling surface of the fiber cone. In addition, the angle conversion between the coupling surface and the decoupling surface is added to the fiber cone or glass cone as a parameter to be taken into account. This makes it very problematic to find corresponding fiber cones or glass cones with given LED components and given bundle diameters of illumination fiber bundles in the endoscopy, which have an adapted aspect ratio (small diameter to large diameter) for a minimal loss.

Faserkegel oder Glaskegel sind mit wählbarem Aspektverhältnis verfügbar. Für eine gegebene LED mit einer festen Chipfläche und einem gegebenen Faserbündel mit einem festen Durchmesser in welches eingekoppelt werden soll, kann ein Faserkegel oder Glaskegel ausgewählt werden, der angepasst ist. Diese Anpassung ist ein Kompromiss, da eine Abstimmung der Durchmesser des Faser- oder Glaskegels an die LED und das Faserbündel nicht zu einer vollständigen Winkelkonversion und/oder Flächenkonversion führt. Die Anteile, die die Winkelkonversion und die Anteile, die die Flächenkonversion zum gesamten übertragenen Lichtstrom beitragen sind je nach verwendetem Faser- oder Glaskegel verschieden groß. Aus diesem Grund ist die Auswahl eines Faserkegels z. B. auf experimenteller und messtechnischer Grundlage für die vorkommenden Kopplungsfälle in der Endoskopie immer ein Kompromiss.Fiber cones or glass cones are available with selectable aspect ratio. For a given LED having a fixed chip area and a given fiber bundle with a fixed diameter to be coupled into, a fiber cone or glass cone may be selected which is adapted. This adjustment is a compromise, as matching the diameter of the fiber or glass cone to the LED and fiber bundle does not result in complete angular conversion and / or area conversion. The proportions that contribute the angular conversion and the proportions that contribute to the area conversion to the total transmitted luminous flux are different depending on the fiber or glass cone used. For this reason, the selection of a fiber cone z. B. on experimental and metrological basis for the occurring coupling cases in endoscopy always a compromise.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, Verfahren und Vorrichtungen zur Einkopplung von LED-Licht handelsüblicher LED in die in der Endoskopie verwendeten Faserbündel von Endoskopen oder Lichtleitkabel zu schaffen wobei die oben beschriebenen Nachteile, wie z. B. große und teure Optiksysteme oder teure spezielle Strahlformungsteile, teure und uneffiziente Reflektoren, das notwendige Entfernen von Linsen oder Fenstern auf den LED, Verletzungen der Konversionsschicht, notwendige gekrümmte Ausführungen von LED-Chips, Kurzschlüsse oder Verletzungen von Bonddrähten vermieden werden und daß die Anpassung in der Fläche oder der Apertur von Faserkegeln oder Glaskegeln verbessert wird.The present invention aims to provide methods and apparatus for coupling LED light commercial LED in the fiber bundles used in endoscopy of endoscopes or light guide cable with the disadvantages described above, such. As large and expensive optical systems or expensive special beam shaping parts, expensive and inefficient reflectors, the necessary removal of lenses or windows on the LED, violations of the conversion layer, necessary curved versions of LED chips, short circuits or injuries of bonding wires avoided and that the fit in the plane or aperture of fiber cones or glass cones is improved.

Zur Anpassung von Faserbündeln von Endoskopen oder Lichtleitkabeln an vorhandene LED-Bauelemente in Chipform, mit Fenstern oder mit Linsen wird gemäß der Erfindung ein an sich bekannter Faserkegel oder Glaskegel bereit gestellt, der nach der Auswahl in den folgenden Parametern

  • – Flächengröße der Koppelflächen
  • – Flächengeometrie der Koppelflächen
  • – Durchmesserverhältnis der Koppelflächen
durch eine zusätzliche Veränderung des Oberflächenform insbesondere der Einkoppelseite zur LED optimiert wird.To adapt fiber bundles of endoscopes or optical cables to existing LED components in chip form, with windows or with lenses, according to the invention, a per se known fiber cone or glass cone is provided, which after selection in the following parameters
  • - Area size of the coupling surfaces
  • - Surface geometry of the coupling surfaces
  • - Diameter ratio of the coupling surfaces
is optimized by an additional change in the surface shape, in particular the coupling side to the LED.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand folgender Abbildungen erläutert.The invention will be explained below with reference to the following figures.

Bild 1: Strahlverlauf eines Einzelstrahles an einer FaserFigure 1: Beam path of a single beam on a fiber

Bild 2: Strahlverlauf eines Einzelstrahles an einer schräg geschliffenen FaserFig. 2: Beam path of a single beam at an obliquely ground fiber

Bild 3: Akzeptanzstrahlenkegel an einer schräg geschliffenen FaserImage 3: Acceptance beam cone on an obliquely ground fiber

Bild 4: Eine direkte Ankopplung eines Lichtleitkabels an eine handelsübliche LED nach dem Stand der TechnikFigure 4: A direct coupling of a fiber optic cable to a commercially available LED according to the prior art

Bild 5: Eine Ankopplung eines Lichtleitkabels an eine handelsübliche LED mittels einem Faserkegel nach dem Stand der Technik Figure 5: A coupling of a fiber optic cable to a commercial LED by means of a fiber cone according to the prior art

Bild 6: Eine Ankopplung eines Lichtleitkabels an eine handelsübliche LED mittels eines Faserkegels mit bester Winkelkonversion nach dem Stand der TechnikFigure 6: A coupling of a fiber optic cable to a commercially available LED by means of a fiber cone with the best angle conversion according to the prior art

Bild 7: Eine Ankopplung eines Lichtleitkabels an eine handelsübliche LED mittels eines Faserkegels mit einer als Pyramidenstumpf angeschliffenen Oberflächenform und optimiertem Aspektverhältnis nach dem ErfindungsgedankenFigure 7: A coupling of a fiber optic cable to a commercially available LED by means of a fiber cone with a trimmed as a truncated pyramid surface shape and optimized aspect ratio according to the inventive concept

Bild 8: Ein Faserkegel mit einer sphärisch konvexen Oberflächenform gemäß dem ErfindungsgedankenFigure 8: A fiber cone with a spherically convex surface shape according to the concept of the invention

Bild 9: Einen Faserkegel mit einer pyramidenstumpfförmigen Oberflächenform gemäß dem ErfindungsgedankenFigure 9: A fiber cone with a truncated pyramidal surface shape according to the concept of the invention

Bild 10: Einen Faserkegel mit einer facettenförmig angeschliffenen Oberflächenform gemäß dem ErfindungsgedankenFigure 10: A fiber cone with a faceted ground surface shape according to the concept of the invention

Bild 11: Einen Faserkegel mit einer quadratisch angepassten und sphärisch geschliffenen Oberflächenform gemäß dem ErfindungsgedankenFigure 11: A fiber cone with a square adapted and spherically ground surface shape according to the inventive concept

In den Bildern zeigen:In the pictures show:

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
eine Einzelfasera single fiber
22
Akzeptanzwinkel der FaserAcceptance angle of the fiber
33
Lot auf die Eintrittsfläche der FaserLot on the entrance surface of the fiber
44
Bereich der Erfassung der emittierten StrahlenRange of detection of the emitted rays
55
Erfassungswinkel β'Detection angle β '
66
LED-ChipLED chip
77
SchrägschliffwinkelBevel grinding angles
88th
Verschwenkungswinkelswivel angle
99
Hochleistungs-LEDHigh-power LED
1010
Lichtleitbündellight guide bundle
1111
Faserkegelfiber cone
1212
Faserkegel 2 fiber cone 2

Handelsübliche LED haben quadratische oder rechteckige Chipflächen und emittieren das Strahlenbündel in einen maximalen Raumwinkel zwischen 140° und 160°. Handelsübliche Faserbündel haben Akzeptanzwinkel bis maximal 120°. Nur in diesen Akzeptanzwinkel der Faserbündel, der aus der Apertur der Faserbündel berechnet werden kann, können Lichtstrahlen eingekoppelt werden. Die meist verwendeten preiswerten Faserbündel haben dagegen Akzeptanzwinkel von maximal 60°. Das heißt, dass bei Verwendung eines Faserbündels oder auch eines Faserkegels in direkter Stoßkopplung auf einen LED-Chip niemals mehr als 120° bzw. 60° als Strahlenkegel von der LED erfasst werden können. Bei den meisten LED gehen somit bei dieser Stoßkopplung ca. 10% bis 34% der bereit gestellten Strahlung allein durch die Winkel-Fehlanpassung verloren.Commercially available LEDs have square or rectangular chip surfaces and emit the beam in a maximum solid angle between 140 ° and 160 °. Commercially available fiber bundles have acceptance angles of up to 120 °. Only in this acceptance angle of the fiber bundles, which can be calculated from the aperture of the fiber bundles, light beams can be coupled. The most commonly used inexpensive fiber bundles, however, have acceptance angles of up to 60 °. This means that when using a fiber bundle or a fiber cone in direct shock coupling to an LED chip never more than 120 ° or 60 ° can be detected as a beam cone of the LED. In the case of most LEDs, this shock coupling loses approximately 10% to 34% of the radiation provided by the angle mismatch alone.

Betrachtet man einen einzelnen Strahl (Bild 1), der aus Luft in eine Stufenindexfaser eintritt, so ist der Winkel dieses Strahles durch den Akzeptanzwinkel (2) der Faser begrenzt, der sich aus der numerischen Apertur der Faser ergibt: NA = sin α If one considers a single beam (Figure 1), which enters a step index fiber from air, then the angle of this beam through the acceptance angle ( 2 ) of the fiber resulting from the numerical aperture of the fiber: NA = sin α

Um Lichtstrahlen mit größeren Aperturen, z. B. aus den LED-Chips innerhalb dieses Akzeptanzwinkels der Faser einkoppeln zu können, ist eine Aperturwandlung durch ein optisches Element notwendig. α1·D1 = α2·D2

α1
= halber Eintrittswinkel (an der LED)
α2
= halber Austrittswinkel (Faserbündel)
D1
= Eintrittsdurchmesser (an der LED)
D2
= Austrittsdurchmesser (Faserbündel)
To light beams with larger apertures, z. B. to be able to couple from the LED chips within this acceptance angle of the fiber, an aperture conversion by an optical element is necessary. α 1 · D 1 = α 2 · D 2
α 1
= half entrance angle (at the LED)
α 2
= half exit angle (fiber bundles)
D 1
= Inlet diameter (at the LED)
D 2
= Exit diameter (fiber bundles)

Gemäß der Lagrangeschen Invariante geht eine Aperturwandlung immer mit einer gegenläufigen Veränderung der Durchmesser einher. D. h. der LED-Chip mit der in der Regel größeren Apertur müsste in der emittierenden Fläche immer kleiner sein, als das Faserbündel mit der kleineren Apertur, in das eingekoppelt wird, wenn möglichst viel Licht-Leistung in das Faserbündel eingekoppelt werden soll. Dies ist aber nicht immer der Fall. Zur Anpassung einer beliebigen LED an ein beliebiges Faserbündel muss durch ein zwischengeschaltetes optisches Element sowohl eine Flächenanpassung, als auch eine Raumwinkelanpassung erfolgen. According to the Lagrangian invariant, an aperture transformation always involves an opposite change in diameter. Ie. The LED chip with the generally larger aperture would always have to be smaller in the emitting surface than the fiber bundle with the smaller aperture, into which the coupling is to be made if as much light power as possible is to be coupled into the fiber bundle. This is not always the case. In order to adapt any desired LED to any fiber bundle, both an area adaptation and a solid angle adaptation must take place by means of an interposed optical element.

Es gilt nun, für eine bestimmte LED-Faserbündel-Kombination einen Kompromiß zu finden, der einerseits die Lagrangesche Invariante nicht verletzt, andererseits die höchstmögliche Koppeleffektivität bereit stellt. Dies kann z. B. durch einen Faserkegel oder einen Glaskegel erfolgen, der in einer erfindungsgemäßen Flächen- und/oder Winkelanpassung ausgeführt ist und zusätzlich insbesondere an der der LED zugewandten Einkoppelseite oder an beiden Seiten eine erfindungsgemäße Oberflächenform aufweist. In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Anpassung besitzt der Faserkegel z. B. an der Eintrittstelle der LED-Strahlung eine an den LED-Chip geometrisch angepasste Flächenform, die mit einem erfindungsgemäßen konvexen Anschliff versehen ist.It is now necessary to find a compromise for a particular LED fiber bundle combination which on the one hand does not violate the Lagrangian invariant, on the other hand provides the highest possible coupling effectiveness. This can be z. Example, by a fiber cone or a glass cone, which is executed in a surface and / or angle adjustment according to the invention and additionally in particular on the side facing the LED Einkoppelseite or on both sides has an inventive surface shape. In a preferred adaptation according to the invention, the fiber cone z. B. at the point of entry of the LED radiation, a geometrically adapted to the LED chip surface shape, which is provided with a convex bevel according to the invention.

Die erfindungsgemäßen Anpassungsarten bringen durch die Kombination von Flächenanpassung, Winkelanpassung und die zusätzliche Einführung eines Anschliffes der Oberflächen einen sehr viel breiteren und individuell wählbaren Anpassungsbereich der Faserkegel, als er sich mit den o. g. Fertigungs-Parametern des Faserkegels allein realisieren lässt.The adaptation modes according to the invention bring about a much wider and individually selectable adjustment range of the fiber cones by the combination of surface adaptation, angle adaptation and the additional introduction of a polished surface of the surfaces, as he deals with the o. Manufacturing parameters of the fiber cone can be realized alone.

Gemäß der Erfindung wird für eine Anpassung der bekannte Effekt ausgenutzt, dass bei einer schräg angeschliffenen Faser der Akzeptanzstrahlenkegel nicht mehr konzentrisch zur Achse der Faser liegt. Im Bild 2 ist gezeigt, dass gemäß des Brechungsgesetzes der Akzeptanzstrahlenkegel der Faser in einem Verschwenkungswinkel (8) entsprechend einem sich aus den Strahlenberechnungen ergebenden Winkel (7) entgegen dem Lot auf die Eintrittsfläche (3) verschwenkt wird. Bezogen auf die Achse der Faser ergibt sich aber nunmehr für den Winkelerfassungsbereich (5) ein neuer, höherer einseitiger Winkel β' (5) für einen noch in die Faser einzukoppelnden Strahl. Durch die Verschwenkung des Akzeptanzstrahlenkegels wird auch der Bereich der Erfassung der emittierten Strahlen (4) größer (siehe gegenüber Bild 1).According to the invention, the well-known effect is utilized for an adaptation that with an obliquely ground fiber the acceptance beam cone is no longer concentric with the axis of the fiber. Figure 2 shows that, according to the law of refraction, the acceptance beam cone of the fiber is at a tilt angle (FIG. 8th ) corresponding to an angle resulting from the ray calculations ( 7 ) against the solder on the entrance surface ( 3 ) is pivoted. With reference to the axis of the fiber, however, the angular detection range ( 5 ) a new, higher one-sided angle β '( 5 ) for a still to be coupled into the fiber beam. Due to the pivoting of the acceptance beam cone, the area of detection of the emitted beams ( 4 ) larger (see opposite Fig. 1).

Ein von der LED emittierter Strahlenkegel wird nur innerhalb des Akzeptanzwinkels in die Faser eingekoppelt werden. Wenn die Faser nun am Rand des emittierenden Bereiches der LED liegt, kann somit nur ein kleiner Teil der Strahlen von der LED eingekoppelt werden, da der Akzeptanzwinkel der Randfaser über die Chipfläche hinaus ragt. (Bild 1) A beam cone emitted by the LED will only be coupled into the fiber within the acceptance angle. If the fiber is now located at the edge of the emitting region of the LED, thus only a small part of the rays from the LED can be coupled in, since the acceptance angle of the edge fiber projects beyond the chip surface. (Image 1)

Der maximale Akzeptanzwinkel einer Faser mit n(Kern) = 1,62 und n(Mantel) = 1,487 ist etwa von +40,0° bis –40,0°. Wird die Faserendfläche z. B. um 8° schräg angeschliffen (7), dann wird der Akzeptanzkegel verschwenkt und im Bereich von ungefähr +57,5° bis –22,5° liegen. Ein von der LED emittierter Strahlenkegel kann somit im Winkelbereich bis β' = 57,5° Licht in die Faser mit 40° Akzeptanzwinkel einkoppeln. Bei einer unangeschliffenen Faser sind es gemäß obiger Rechnung nur 40°.The maximum acceptance angle of a fiber with n (core) = 1.62 and n (cladding) = 1.487 is approximately from + 40.0 ° to -40.0 °. If the Faserendfläche z. B. inclined at 8 ° obliquely (7), then the acceptance cone is pivoted and in the range of about + 57.5 ° to -22.5 °. A beam cone emitted by the LED can thus couple light into the fiber with a 40 ° acceptance angle in the angular range up to β '= 57.5 °. For an unpolished fiber, it is only 40 ° according to the above calculation.

Von dieser schräg angeschnittenen Faser wird also ein Winkelbereich der emittierten Fläche erfasst, der aus Richtung der Mitte der emittierenden LED-Fläche austritt. (Bild 2)From this obliquely cut fiber so an angular range of the emitted surface is detected, which emerges from the direction of the center of the emitting LED surface. (Picture 2)

Wird z. B. ein Faserkegel auf einen LED-Chip gesetzt, welcher im kleinen Durchmesser größer als die Diagonale des Chips ist (Umkreis), dann erhalten die in den überstehenden Kreisabschnitten liegenden Fasern des Faserkegels nur sehr wenig Licht, da nur wenige emittierte Strahlenbündel vom LED-Chip den Akzeptanzwinkel dieser Fasern noch erreichen . Werden diese im Randbereich liegenden Fasern nunmehr schräg angeschliffen, wie im Bild 3 gezeigt, dann verschwenkt sich der Strahlenkegel dieser Fasern in Richtung Chip.If z. B. a fiber cone placed on an LED chip, which is larger than the diagonal of the chip in the small diameter (perimeter), then receive the lying in the protruding circular sections fibers of the fiber cone very little light, since only a few emitted beams from the LED Chip still reach the acceptance angle of these fibers. If these fibers lying in the edge region are now ground obliquely, as shown in FIG. 3, then the beam cone of these fibers pivots in the direction of the chip.

Damit können mehr Strahlen aus dem LED-Chip, insbesondere auch Strahlen, die nicht mit dem normalen Akzeptanzwinkel erfasst werden können, eingekoppelt werden. Der schräge Anschliff dieser Randfasern trägt somit zur Erhöhung der Summe der eingekoppelten Strahlung bei und erhöht somit die Einkoppeleffizienz erheblich.This allows more beams from the LED chip, in particular also rays that can not be detected with the normal acceptance angle, to be coupled in. The oblique bevel of these edge fibers thus contributes to increasing the sum of the coupled radiation and thus significantly increases the coupling efficiency.

Damit entsteht am LED-Chip eine größere Fläche des Eingangsbündels des Faserkegels. Werden die Randfasern des Faserkegels schräg angeschliffen, so erhöht sich der erfassbare Emissionsbereich und die Randflächen werden mit ausgeleuchtet. Somit erhält man bei einem angepassten schrägen Anschliff der Randbereiche des Faserkegels bei bestehendem Aspektverhältnis eine besser wählbare Raumwinkelkonversion bei gleichmäßiger Ausleuchtung der gesamten Flächen. Zusätzlich entsteht durch das schräge Anschleifen im Sinne der Erfindung der Effekt, dass ein Faserkegel oder ein Faserbündel direkt auf einen LED-Chip gesetzt werden kann, der an seinen Rändern mit Bonddrähten kontaktiert ist, da die schräg angeschliffenen Randbereiche auf Abstand vom LED-Chip abstehen.This results in a larger area of the input beam of the fiber cone on the LED chip. If the edge fibers of the fiber cone are ground at an angle, the detectable emission range increases and the edge surfaces are illuminated. Thus, with an adapted oblique bevel of the edge regions of the fiber cone with existing aspect ratio a better selectable solid angle conversion with uniform illumination of the entire surface. In addition, caused by the oblique grinding in the context of the invention, the effect that a fiber cone or a fiber bundle can be placed directly on an LED chip, which is contacted at its edges with bonding wires, since the obliquely ground edge portions protrude at a distance from the LED chip ,

In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Hochleistungs-LED (9) vom Typ „Phlatlight” der Firma Luminus als Beispiel benutzt. Die LED hat als emittierende Fläche einen LED-Chip mit einer Kantenlänge von 3 mm × 3 mm. Die LED ist mit einem Fenster versehen, gemäß technischer Unterlagen ist somit das Strahlenbündel erst in einem Abstand von 0,6 mm vom Chip koppelbar. Laut technischen Angaben emittiert die LED in einen Raumwinkel von rund 140°. In a preferred embodiment, a high power LED ( 9 ) of the type "Phlatlight" Luminus used as an example. The LED has an LED chip with an edge length of 3 mm × 3 mm as the emitting surface. The LED is provided with a window, according to the technical documentation is thus the beam only at a distance of 0.6 mm from the chip can be coupled. According to technical data, the LED emits in a solid angle of about 140 °.

Die emittierte Strahlung soll nun in ein Standard-Lichtleitbündel mit einem Durchmesser von 4,8 mm und einem Akzeptanzwinkel von 60° möglichst verlustarm eingekoppelt werden.The emitted radiation is now to be coupled into a standard light-conducting bundle with a diameter of 4.8 mm and an acceptance angle of 60 ° with as little loss as possible.

Im Bild 4 wird zunächst gezeigt, wie gemäß einem Stand der Technik das eine Ende (Stecker) des Lichtleitkabels (10) direkt auf das Fenster gesetzt wird. In diesem Fall werden von der LED (9) emittierte Strahlen im Bereich des Akzeptanzwinkels von 60° erfasst und es entsteht ein Einkoppelverlust aufgrund des Winkels von größer 50%. Durch den großen Durchmesser des Lichtleitkabels (10) gehen ebenfalls mehr als 30% Strahlenanteile verloren, da der Durchmesser mit 4,8 mm größer ist als die Diagonale des Chips von 4,2 mm und der LED-Chip.In FIG. 4 it is first shown how, according to a prior art, the one end (plug) of the optical fiber cable (FIG. 10 ) is placed directly on the window. In this case, the LED ( 9 ) detected rays in the range of the acceptance angle of 60 ° and there is a Einkoppelverlust due to the angle of greater than 50%. Due to the large diameter of the fiber optic cable ( 10 ) are also lost more than 30% beam components, since the diameter of 4.8 mm is greater than the diagonal of the 4.2 mm chip and the LED chip.

Im Bild 5 wird nunmehr ebenfalls gemäß einem Stand der Technik ein Faserkegel (11) zwischen LED (9) und Lichtleitkabel (10) gesetzt. Die Fasern des Faserkegels (11) sollen einen Akzeptanzwinkel von 80° haben.In FIG. 5, according to a prior art, a fiber cone (FIG. 11 ) between LED ( 9 ) and fiber optic cables ( 10 ) set. The fibers of the fiber cone ( 11 ) should have an acceptance angle of 80 °.

Es besteht nun die Aufgabe, einen Faserkegel mit einem optimalen Aspektverhältnis zu finden. Dazu wird im Folgenden die erfindungsgemäße Lösung anhand dieses Faserkegels erläutert. Es werden die folgenden Grenzfälle in einer Tabelle gegeneinander betrachtet:It is now the task of finding a fiber cone with an optimal aspect ratio. For this purpose, the solution according to the invention will be explained below with reference to this fiber cone. The following borderline cases in a table are considered against each other:

1. Raumwinkelanpassung (siehe Tabelle 1, Fall 1)1. Solid angle adjustment (see Table 1, Case 1)

Um die Strahlung aus dem Raumwinkel der LED (140°) in den Akzeptanzwinkel des Faserbündels von 60° zu konvertieren, wäre theoretisch ein Aspektverhältnis des Faserkegels von 0,43 erforderlich. Da die handelsüblichen Faserkegel nur einen Akzeptanzwinkel von maximal 80° aufweisen, kann dieses Aspektverhältnis nicht verwendet werden, es würde zu einer Winkelkonversion von 80° × 0,43 = 34,3° führen. Es kann somit bei alleiniger Betrachtung einer vollständigen Winkelkonversion nur ein minimales Aspektverhältnis von 0,75 ausgewählt werden um einen 80° Eingangsstrahlenbereich in einen 60° Ausgangsstrahlenbereich zu konvertieren. Bei einem gegebenen Lichtleitkabel-Faserbündel-Durchmesser von 4,8 mm und einem darauf angepassten Faserkegel-Ausgangsdurchmesser von ebenfalls 4,8 mm würde bei dieser vollständigen Winkelkonvertierung (80° zu 60°) das LED-seitige Ende des Faserkegels einen Durchmesser von 3,6 mm aufweisen müssen wie im Bild 6 gezeigt. Ein Durchmesser von 3,6 mm würde dann kleiner sein als die Fläche der LED und nur aus dem Bereich der 3,6 mm den Raumwinkel der LED und nur im Winkelbereich von 80° erfassen. Es würden Verluste von 13% in der Raumwinkelübertragung auftreten. Da der Durchmesser von 3,6 mm kleiner ist, als die Diagonale der LED und dieser an den Seiten über die Kanten übersteht, würden zusätzliche Flächenverluste von etwa 21% auftreten.In order to convert the radiation from the solid angle of the LED (140 °) to the acceptance angle of the fiber bundle of 60 °, theoretically a fiber cone aspect ratio of 0.43 would be required. Since the commercial fiber cones have only an acceptance angle of 80 ° maximum, this aspect ratio can not be used, it would lead to an angular conversion of 80 ° × 0.43 = 34.3 °. Thus, considering only complete angle conversion, only a minimum aspect ratio of 0.75 can be selected to convert an 80 ° input beam range to a 60 ° output beam range. For a given fiber optic fiber bundle diameter of 4.8mm and a matched fiber cone exit diameter of also 4.8mm, at this complete angle conversion (80 ° to 60 °) the LED side end of the fiber cone would have a diameter of 3, 6 mm must have as shown in Figure 6. A diameter of 3.6 mm would then be smaller than the surface of the LED and only from the range of 3.6 mm the solid angle of the LED and only in the angular range of 80 ° capture. There would be losses of 13% in the solid angle transmission. Since the diameter of 3.6 mm is smaller than the diagonal of the LED and this protrudes beyond the edges on the sides, additional area losses of about 21% would occur.

2. Anpassung mit Faserkegel mit rundem Faserbündel (siehe Tabelle 1, Fall 2)2. Adjustment with fiber cone with round fiber bundle (see Table 1, Case 2)

Um die gesamte Fläche des quadratischen LED-Chips zu erfassen, müsste der Durchmesser des kleinen Fensters des Faserkegels etwa der Diagonale des Quadrates entsprechen. Dies wäre ein Durchmesser von 4,2 mm. Um von 4,2 mm auf die 4,8 mm des Faserbündels durch einen Faserkegel zu transformieren, würde sich ein Aspektverhältnis von 0,875 ergeben. Bei diesem Aspektverhältnis ergäbe sich eine Winkelkonversion von einem maximal erfassbaren Eingangsstrahlwinkel des Faserkegels von 80° auf einen Ausgangsstrahlwinkel von 70°.In order to cover the entire area of the square LED chip, the diameter of the small window of the fiber cone would have to correspond approximately to the diagonal of the square. This would be a diameter of 4.2 mm. To transform from 4.2 mm to the 4.8 mm of the fiber bundle through a fiber cone would result in an aspect ratio of 0.875. With this aspect ratio, an angle conversion would result from a maximum detectable input beam angle of the fiber cone of 80 ° to an output beam angle of 70 °.

Dieser Ausgangsstrahlwinkel wiederum lässt sich nicht in das Faserbündel einkoppeln, welches nur einen Akzeptanzwinkel von 60° besitzt. Damit ist auch bei diesem Aspektverhältnis des Faserkegels die übertragene Strahlung im Raumwinkel der LED stark beschnitten.This output beam angle in turn can not be coupled into the fiber bundle, which has only an acceptance angle of 60 °. Thus, even with this aspect ratio of the fiber cone, the transmitted radiation in the solid angle of the LED is greatly curtailed.

Durch Integration über den erfassten Raumwinkel erhält man hier einen Winkelverlust von ca. 12%. Hier kommt aber der Aspekt hinzu, dass zwar die Fläche des LED-Chips voll auf dem großen Faserkegeldurchmesser abgebildet wird, aber die überstehenden Randbereiche des kleinen und auch des großen Faserkegeldurchmessers nicht ausgeleuchtet sind (Abbildungseffekt des Faserkegels). Damit kommt hier zusätzlich ein Flächenverlust an der Kopplungsseite Faserkegel-Lichtleitbündel hinzu. Durch das Aspektverhältnis wird die Fläche der LED (3 mm × 3 mm) rückvergrößert auf 3,39 mm × 3,39 mm. Das ist eine Fläche von 11,5 mm2, die an der Koppelstelle zum Faserbündel bereit steht. Damit tritt hier ein zusätzlicher Flächenverlust von ca. 37% auf.By integration over the recorded solid angle one obtains here an angle loss of approx. 12%. Here, however, the aspect is added that, although the surface of the LED chip is fully imaged on the large fiber cone diameter, but the protruding edge regions of the small and the large fiber cone diameter are not illuminated (imaging effect of the fiber cone). This additionally adds a loss of surface area on the coupling side fiber cone light guide bundle. The aspect ratio re-enlarges the area of the LED (3 mm × 3 mm) to 3.39 mm × 3.39 mm. This is an area of 11.5 mm 2 , which is ready at the coupling point to the fiber bundle. This results in an additional area loss of approximately 37%.

3. Anpassung mit einem erfindungsgemäßen Faserkegel mit einer quadratischen kleinen und einer runden großen Fläche des Faserbündels (Tabelle 1, Fall 3)3. Adaptation with a fiber cone according to the invention with a square small and a round large area of the fiber bundle (Table 1, Case 3)

Wird die kleine Fläche des Faserkegels in Form und Größe des LED-Chips ausgeführt, also etwa im Quadrat 3 mm × 3 mm, so ergäbe sich auf dieser Seite eine exakte Flächenanpassung an die genannte LED. Mit der Fläche der quadratischen Eingangsseite und der Fläche der runden Koppelseite für ein Lichtleitbündel von 4,8 mm Durchmesser würde sich somit ein Aspektverhältnis von etwa 0,71 (im äquivalenten Durchmesserverhältnis berechnet) ergeben. Damit würde ein solcher Faserkegel einen Raumwinkel der LED von 80° und deren volle Fläche übertragen auf das runde Faserbündel mit Durchmesser 4,8 mm in einem konvertierten Raumwinkel von 56,8°. Damit treten hier Verluste von 7% im Raumwinkel, aber keine Verluste in der Fläche auf.If the small area of the fiber cone in shape and size of the LED chip executed, so approximately in the square 3 mm × 3 mm, this would result in an exact surface adaptation to the said LED. With the area of the square Thus, an aspect ratio of about 0.71 (calculated in terms of the equivalent diameter ratio) would result in the input side and the area of the round coupling side for an optical fiber bundle of 4.8 mm diameter. Thus, such a fiber cone would transmit a solid angle of the LED of 80 ° and its full area on the round fiber bundle with a diameter of 4.8 mm in a converted solid angle of 56.8 °. This results in losses of 7% in the solid angle, but no losses in the area.

4. Anpassung mit einem erfindungsgemäßen Faserkegel mit einem runden Faserbündel und einer angeschliffenen runden Eingangsfläche (Tabelle 1, Fall 4)4. adaptation with a fiber cone according to the invention with a round fiber bundle and a ground round input surface (Table 1, Case 4)

Ausgehend von einem Faserbündeldurchmesser von 4,8 mm und einer vollen Winkelerfassung der quadratischen LED-Fläche würde ein Faserkegel mit einem Durchmesserverhältnis von etwa 4,1 mm zu 4,8 mm zum Einsatz kommen, was einem Aspektverhältnis von 0,857 entspricht. Damit wäre der übertragene Raumwinkel des Faserkegels 80° × 0,857 = 68,56°, sodaß hier noch ein Raumwinkelverlust von etwa 10% auftritt. Da es über den LED-Chip überstehende Ränder der kleinen Fläche des Faserkegels (Durchmesser 4,11 mm) gibt, würde hierbei ebenfalls ein zusätzlicher Flächenverlust durch die nicht ausgeleuchteten Kreissegmente auftreten. Nunmehr wird diese kleine Fläche des Faserkegels mit einem Radius sphärisch als konvexe Linsenfläche angeschliffen, sodaß sich an den Rändern des kleinen Durchmessers des Faserkegels eine Schlifffehlstellung um 8° ergibt. Infolgedessen weisen die Randfasern einen in Richtung auf die LED-Mitte verschwenkten Akzeptanzwinkel auf. Dieser verschwenkte Akzeptanzwinkel hat zur Folge, dass die über die LED-Chipfläche hinaus stehenden Randbereiche (hier Kreissegmente mit einer Höhe von 0,56 mm auf jeder Seite) ebenfalls voll ausgeleuchtet werden. Man erhält hierbei ebenso, wie im Fall 3 keinen Flächenverlust durch eine zusätzliche Einkopplung von Strahlen der LED, sodaß es hier bei einem Raumwinkelverlust von 10% bleibt.Based on a fiber bundle diameter of 4.8 mm and a full angle detection of the square LED surface, a fiber cone with a diameter ratio of about 4.1 mm to 4.8 mm would be used, which corresponds to an aspect ratio of 0.857. Thus, the transmitted solid angle of the fiber cone 80 ° × 0.857 = 68.56 °, so that here still a solid angle loss of about 10% occurs. Since there are protruding edges of the small surface of the fiber cone (diameter 4.11 mm) over the LED chip, an additional area loss would also occur through the non-illuminated circular segments. Now, this small surface of the fiber cone is radiused spherical with a radius as a convex lens surface, so that at the edges of the small diameter of the fiber cone results in a Schlibffehlstellung by 8 °. As a result, the edge fibers have an acceptance angle pivoted in the direction of the LED center. The result of this tilted acceptance angle is that the edge areas beyond the LED chip area (in this case, circle segments with a height of 0.56 mm on each side) are likewise fully illuminated. In this case, as in case 3, no area loss is obtained by an additional coupling of beams of the LED, so that it remains here at a solid angle loss of 10%.

5. Anpassung mit einem erfindungsgemäßen Faserkegel mit einem angeschliffenen quadratischen kleinen Eingangsfaserbündel und einem runden Ausgangsbündel (Tabelle 1, Fall 5)5. Adaptation with a fiber cone according to the invention with a ground square small input fiber bundle and a round output bundle (Table 1, Case 5)

Ausgehend von einem exakten Aspektverhältnis zur Anpassung der Winkelkonversion von 80° auf 60°, also einem Aspektverhältnis von 0,75, ergäbe sich bei vorgegebenem Ausgangsdurchmesser von 4,8 mm eine quadratische Eingangsfläche von 3,19 mm × 3,19 mm. Die Winkelkonversion wäre genau angepasst. Die überstehenden Randbereiche würden aber nur zu einer Teilausleuchtung des Faserbündels am großen Durchmesser 4,8 mm führen. Nunmehr wird die quadratische Faserendfläche des Faserkegels in den Randbereichen um einen geringen Betrag schräg in Form einer Pyramide oder sphärisch angeschliffen. Der erfassbare Strahlenbereich aller 4 Seiten wird in Richtung zur Mitte des Chips verschwenkt und kann Strahlen aus größeren Winkeln auf nehmen. Ein solcher angeschliffener Faserkegel würde keine Verluste in der Winkel- und Flächenkonversion mehr aufweisen und alle Strahlenanteile der LED, die theoretisch möglich sind, optimal in das Faserbündel einkoppeln.Starting from an exact aspect ratio for adjusting the angle conversion from 80 ° to 60 °, ie an aspect ratio of 0.75, the result would be a square input area of 3.19 mm × 3.19 mm for a given starting diameter of 4.8 mm. The angle conversion would be exactly adjusted. However, the protruding edge areas would lead only to a partial illumination of the fiber bundle at the large diameter 4.8 mm. Now, the square fiber end surface of the fiber cone in the edge regions is inclined by a small amount obliquely in the form of a pyramid or spherically. The detectable beam area of all 4 sides is pivoted towards the center of the chip and can take rays from larger angles. Such a ground fiber cone would no longer have any losses in the angular and surface conversion and would optimally couple all beam components of the LED that are theoretically possible into the fiber bundle.

Es ist somit aber auch möglich, bei einem runden Eingangsdurchmesser des Faserkegels eine optimierte Winkel- und Flächenanpassung vor zu nehmen. Durch den Anschliff der Randbereiche des Faserkegels oder der gesamten, der LED zugewandten Seite des Faserkegels erreicht man eine Anpassung des Flächenverhältnisses bei den durch die Raumwinkelkonversion nötigen angepassten Durchmessern (Aspektverhältnis) des Faserkegels. Kombinationen aus den erfindungsgemäßen Anpassungen sind in vielfältiger Form für die unterschiedlichen Koppelaufgaben LED zu Faserbündel möglich.However, it is also possible to take an optimized angle and surface adaptation for a round input diameter of the fiber cone. By grinding the edge regions of the fiber cone or the entire side of the fiber cone facing the LED, an adaptation of the area ratio at the adapted diameters (aspect ratio) of the fiber cone required by the solid angle conversion is achieved. Combinations of the adjustments according to the invention are possible in a variety of forms for the different coupling tasks LED to fiber bundles.

Das Bild 7 zeigt eine der erfindungsgemäßen Kopplungen der Hochleistungs-LED (9) an den Faserkegel (12). Hier wird die mit der LED (9) in Kontakt stehende Koppelfläche (13) des Faserkegels (12) nicht plan geschliffen, sondern in diesem Beispiel in Form eines Pyramidenstumpfes. Durch die Verschwenkung der Akzeptanzkegel im Bereich der Pyramidenseiten kann der kleine Durchmesser des Faserkegels größer gewählt werden, als es das erforderliche Aspektverhältnis für eine vollständige Flächenkonvertierung zulässt. Z. B. wird hier nunmehr ein Durchmesser von 4,1 mm auf das LED-Fenster gekoppelt und ein Durchmesser von 4,8 mm auf das Lichtleitbündel. Damit ist das Aspektverhältnis etwa 0,86. Es wird durch das größere Aspektverhältnis durch den Faserkegel nur ein Winkelbereich der LED von 70° konvertiert werden. Die Fläche des erfassten Bereiches ist jedoch gegenüber dem vorherigen Faserkegel im Bild 6 100% der Chipfläche. Etwa 45% der Koppelfläche ragen über die quadratische Emissionsfläche hinaus und bilden Randsegmente, die nur teilweise bestrahlt werden. In diesen Randsegmenten werden nun aufgrund des pyramidenstumpfartigen Anschliffes der Koppelfläche (13) die Akzeptanzwinkel in Richtung auf den LED-Chip verschwenkt und es werden zusätzliche Strahlungsanteile erfasst, die an der anderen Koppelstelle des Faserkegels in das Lichtleitkabel gekoppelt werden.FIG. 7 shows one of the couplings of the high-power LED according to the invention (FIG. 9 ) to the fiber cone ( 12 ). Here is the one with the LED ( 9 ) in contact area ( 13 ) of the fiber cone ( 12 ) not ground flat, but in this example in the form of a truncated pyramid. Due to the pivoting of the acceptance cones in the area of the pyramid sides, the small diameter of the fiber cone can be chosen to be larger than the required aspect ratio allows for complete area conversion. For example, now a diameter of 4.1 mm is coupled to the LED window and a diameter of 4.8 mm on the Lichtleitbündel. Thus, the aspect ratio is about 0.86. It will be converted by the larger aspect ratio through the fiber cone only an angular range of the LED of 70 °. However, the area of the detected area is 100% of the chip area compared to the previous fiber cone in Figure 6. About 45% of the coupling surface protrude beyond the square emission surface and form edge segments that are only partially irradiated. In these edge segments are now due to the truncated pyramid-shaped bevel of the coupling surface ( 13 ) the acceptance angle is pivoted in the direction of the LED chip and additional radiation components are detected, which are coupled at the other coupling point of the fiber cone in the light guide cable.

Gemäß dieser erfindungsgemäßen Ausführung zur Anpassung der Koppelfläche an die LED ergibt sich somit eine höhere Kopplungseffizienz gegenüber einer Stoßkopplung eines Faserbündels auf eine LED oder dem Einsatz eines nicht angepassten Faserkegels oder einem Linsensystem.According to this embodiment according to the invention for adaptation of the coupling surface to the LED thus results in a higher coupling efficiency compared to a butt coupling of a fiber bundle to an LED or the use of an unmatched fiber cone or a lens system.

Weitere Ausführungsformen eines Faserkegels gemäß den Ansprüchen sind in den Bildern 8–11 dargestellt. Die entsprechende Ausführung je nach eingesetzter LED und je nach einzukoppelndem Lichtleitbündel kann durch Berechnungen in einem gängigen Strahlendurchrechnungsprogramm (z. B. Zemax) ermittelt werden. Further embodiments of a fiber cone according to the claims are shown in Figures 8-11. Depending on the LED used and the type of light bundle to be coupled in, the corresponding design can be determined by calculations in a standard beam calculation program (eg Zemax).

Die Erfindung schafft somit die Möglichkeit, den Einsatzbereich von Faserkegeln oder Glaskegeln oder Faserkopplern zu erweitern und eine Anpassung zur Kopplung verschiedener LED vorzunehmen. Durch die Wahl des Aspektverhältnisses, der Form der Einkoppel- und Auskoppelfläche und räumlichen Ausführung der Einkoppel- und Auskoppelfläche ergeben sich eine große Zahl von Anpassungsmöglichkeiten.The invention thus provides the opportunity to expand the range of use of fiber cones or glass cones or fiber couplers and to make an adaptation to the coupling of different LED. By choosing the aspect ratio, the shape of the coupling and decoupling surface and spatial design of the coupling and decoupling arise a large number of adjustment options.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • US 2009/0122573 [0010] US 2009/0122573 [0010]

Claims (13)

Verfahren und Vorrichtung zur Kopplung von LED an Lichtleitkabel oder Faserbündel in der Endoskopie unter Verwendung handelsüblicher LED in einer Ausführung mit oder ohne Linse, bevorzugt Weißlicht-LED, zur Kopplung des von der LED in den Raum emittierten Lichtes in die Koppelfläche eines Faserbündels beliebigen Durchmessers unter Verwendung eines Faserkegels oder Glaskegels, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserkegel oder der Glaskegel ausgehend von den Parametern – Flächengröße der Koppelflächen – Flächengeometrie der Koppelflächen – Durchmesserverhältnis der Koppelflächen eine errechnete Oberflächenform insbesondere an der der LED zugeordneten Einkoppelfläche angeschliffen erhält, mit der die Flächenkoppeleffizienz und die Winkelkoppeleffizienz zwischen beliebig ausgeführter LED und beliebig ausgeführter Lichtleiterbündel maximal sind.Method and device for coupling of LED to fiber optic cable or fiber bundle in endoscopy using commercially available LED in a version with or without lens, preferably white light LED, for coupling the light emitted by the LED in the room light in the coupling surface of a fiber bundle of any diameter Use of a fiber cone or glass cone, characterized in that the fiber cone or the glass cone, starting from the parameters - area size of the coupling surfaces - surface geometry of the coupling surfaces - diameter ratio of the coupling surfaces receives a calculated surface shape in particular at the LED associated coupling surface receives ground, with the surface coupling efficiency and the Winkelkoppeleffizienz between arbitrarily executed LED and arbitrarily executed fiber optic bundles are maximum. Verfahren und Vorrichtung zur Kopplung von LED an Faserbündel in der Endoskopie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der verwendete Faserkegel als ein getapertes flexibles Faserkabel üblicher Länge, bevorzugt im Bereich von 10 mm bis 5 m ausgeführt istMethod and device for coupling LED to fiber bundles in endoscopy according to claim 1, characterized in that the fiber cone used is designed as a taped flexible fiber cable usual length, preferably in the range of 10 mm to 5 m Verfahren und Vorrichtung zur Kopplung von LED an Faserbündel in der Endoskopie nach Ansprüchen 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenform der mindestens einen Koppelfläche des Faser- oder Glaskegels als Kegelstumpf angeschliffen istMethod and device for coupling LED to fiber bundles in endoscopy according to claims 1-2, characterized in that the surface shape of the at least one coupling surface of the fiber or glass cone is ground as a truncated cone Verfahren und Vorrichtung zur Kopplung von LED an Faserbündel in der Endoskopie nach Ansprüchen 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenform der mindestens einen Koppelfläche des Faser- oder Glaskegels als Pyramide angeschliffen istMethod and device for coupling LED to fiber bundles in endoscopy according to claims 1-2, characterized in that the surface shape of the at least one coupling surface of the fiber or glass cone is ground as a pyramid Verfahren und Vorrichtung zur Kopplung von LED an Faserbündel in der Endoskopie nach Ansprüchen 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenform der mindestens einen Koppelstelle des Faser- oder Glaskegels facettenartig angeschliffen istMethod and device for coupling LED to fiber bundles in endoscopy according to claims 1-2, characterized in that the surface shape of the at least one coupling point of the fiber or glass cone is ground faceted Verfahren und Vorrichtung zur Kopplung von LED an Faserbündel in der Endoskopie nach Ansprüchen 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenform der mindestens einen Koppelstelle des Faser- oder Glaskegels sphärisch konvex angeschliffen istMethod and device for coupling LED to fiber bundles in endoscopy according to claims 1-2, characterized in that the surface shape of the at least one coupling point of the fiber or glass cone is ground spherical convex Verfahren und Vorrichtung zur Kopplung von LED an Faserbündel in der Endoskopie nach Ansprüchen 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenform der mindestens einen Koppelstelle des Faser- oder Glaskegels asphärisch konvex angeschliffen istMethod and device for coupling LED to fiber bundles in endoscopy according to claims 1-2, characterized in that the surface shape of the at least one coupling point of the fiber or glass cone is ground aspherically convex Verfahren und Vorrichtung zur Kopplung von LED an Faserbündel in der Endoskopie, nach Ansprüchen 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenform der mindestens einen Koppelstelle des Faser- oder Glaskegels nach errechneter maximaler Strahleinkopplung in einer Freiform angeschliffen istMethod and device for coupling LED to fiber bundles in endoscopy, according to claims 1-2, characterized in that the surface shape of the at least one coupling point of the fiber or glass cone is ground after calculated maximum beam injection in a freeform Verfahren und Vorrichtung zur Kopplung von LED an Lichtleitkabel oder Faserbündel in der Endoskopie nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Koppelstelle zur LED der kleinere Durchmesser des Faser- oder Glaskegels verwendet wirdMethod and device for coupling of LED to fiber optic cable or fiber bundle in endoscopy according to claims 1 to 8, characterized in that the smaller diameter of the fiber or glass cone is used as a coupling point to the LED Verfahren und Vorrichtung zur Kopplung von LED an Lichtleitkabel oder Faserbündel in der Endoskopie nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Koppelstelle zur LED der größere Durchmesser des Faser- oder Glaskegels verwendet wirdMethod and device for coupling of LED to fiber optic cable or fiber bundle in endoscopy according to claims 1 to 8, characterized in that the coupling of the LED to the larger diameter of the fiber or glass cone is used Verfahren und Vorrichtung zur Kopplung von LED an Lichtleitkabel oder Faserbündel in der Endoskopie nach Anspruch 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächengeometrie der mindestens einen Koppelfläche des Faser- oder Glaskegels der Flächengeometrie der Chipfläche der verwendeten LED und/oder des verwendeten Faserbündels, bevorzugt quadratisch oder rechteckig, angepasst istMethod and device for coupling LED to optical fiber cable or fiber bundle in endoscopy according to claim 1-8, characterized in that the surface geometry of the at least one coupling surface of the fiber or glass cone of the surface geometry of the chip surface of the LED used and / or the fiber bundle used, preferably square or rectangular, is adjusted Verfahren und Vorrichtung zur Kopplung von LED an Faserbündel in der Endoskopie nach Ansprüchen 3–8, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Randbereich der Koppelfläche eine Oberflächenform angeschliffen erhältMethod and device for coupling LED to fiber bundles in endoscopy according to claims 3-8, characterized in that only one edge region of the coupling surface receives a surface shape ground Verfahren und Vorrichtung zur Kopplung von LED an Faserbündel in der Endoskopie nach Ansprüchen 1–12, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Einkoppelfläche als auch die Auskoppelfläche eine Oberflächenform angeschliffen erhaltenMethod and device for coupling of LED to fiber bundles in endoscopy according to claims 1-12, characterized in that both the coupling surface and the decoupling surface get a surface shape ground
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