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
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Abstract
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
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
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
Auch in der
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
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
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
- - Area size of the coupling surfaces
- - Surface geometry of the coupling surfaces
- - Diameter ratio of the coupling surfaces
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 (
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
- = halber Eintrittswinkel (an der LED)
- α2
- = halber Austrittswinkel (Faserbündel)
- D1
- = Eintrittsdurchmesser (an der LED)
- D2
- = Austrittsdurchmesser (Faserbündel)
- 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 (
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 (
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 (
Im Bild 5 wird nunmehr ebenfalls gemäß einem Stand der Technik ein Faserkegel (
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
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 (
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.
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