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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung für eine ringförmige
Beleuchtung, die ein trichterförmiges Element zur ringförmigen
Strahlformung verwendet.
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In
US 20040131157 A1 ,
US 6542307 B2 ,
US 20070064202 A1 und
US 20060215401 A1 wird
gezeigt, daß ein trichterförmiges Element für
verschiedene Applikationsgebiete sehr effizient eingesetzt werden
kann. Der Vorteil eines solchen Elements ist Kompaktheit, Effizienz
in der Umwandlung des Lichtflusses, der von der Lichtquelle ausgesendet
wird, in einen von dem nachfolgenden optischen System akzeptierten
Lichtfluß. Erreicht werden soll eine Homogenisierung der
Strahlung im Winkel und/oder im Feld.
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Einige
optische Systeme bei Medizingeräten und auch bei anderen
Anwendungen fordern eine kreisringförmige Feldverteilung
und homogene Winkelverteilung gleichzeitig, um z. B. eine Pupillentrennung
zu realisieren. Die bekannte Lösung dieses Problems besteht
darin Strahlung mittels einer kreisförmigen Blende auszublenden.
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Im
zunehmenden Maße werden konventionelle Lichtquellen durch
LED ersetzt. Dabei werden LED eingesetzt, die ein einziges lichterzeugenden
Element aufweisen. Eine größere Variabilität
bieten aber LED-Bauelemente, welche eine matrixförmige
Anordnung der lichterzeugenden Elemente aufweist. Diese Elemente
können Licht gleicher und/oder unterschiedlicher spektraler
Bereiche aussenden.
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In
DE 10 2008 005 706 ist
ein Beleuchtungselement für eine ringförmige Beleuchtung
beschreiben, bei dem eine Lichtquelle an ein trichterförmigen
Reflektor angekoppelt ist. Am trichterförmigen Reflektor
ist an seiner Lichtauskoppelseite ein Innenkegel angeordnet. Der
trichterförmige Reflektor und der Innenkegel liefern einen
Beleuchtungsring mit einer homogenen Lichtverteilung (siehe
5).
Problematisch ist hier, dass bei der Verwendung von Lichtquellen,
die matrixförmig angeordnete einzelne Strahlungsquellen
verwenden, eine ausreichende Homogenisierung nicht erreicht werden
kann (siehe
4 und
5 sowie die
Feldverteilungen in den
6 und
7).
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Die
Erfindung soll das Problem lösen, ein weiteres Beleuchtungselement
für eine ringförmige Beleuchtung zu schaffen,
das kostengünstig herstellbar ist. Es soll die Lichtstrahlung
einer Lichtquelle, welche einzeln ansteuerbare, matrixförmig
angeordnete lichtabstrahlende Elemente aufweist, möglichst
effizient umformen und mit einer vorbestimmten sowie möglichst
homogenen kreisförmigen Winkelverteilung und mit einer
vorbestimmten sowie möglichst homogenen ringförmigen
Feldverteilung aussenden.
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Die
Lösung des Problems gelingt mit den Merkmalen das Patentanspruchs
1. Die Unteransprüche 2 bis 5 sind vorteilhafte Ausgestaltungen
des Patentanspruchs 1.
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Die
erfindungsgemäße Lösung liefert eine
hervorragende Homogenität der Winkel- und Feldverteilung der
ringförmig geformten Strahlen auch in dem Fall, dass nur
ein einziges lichterzeugendes Element aus der Matrix der lichterzeugenden
Elemente Licht abstrahlt.
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Gemäß der
Erfindung besteht die vorgeschlagene Lösung aus drei einzelnen
Teilen, die zusammenmontiert werden: einem Lichtmischstab, einem äußeren
Teil mit einem Hohlkegel und einem inneren Tel mit einer kegelförmigen
Außenfläche. Das Innere Teil ist mit seiner Kegelspitze
in den Hohlkegel des äußeren Teils so eingefügt,
dass ein Ring für den Lichtaustritt frei bleibt.
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Der
Lichtmischstab und das äußere Teil können
aber auch als ein einziges Teil gefertigt werden, z. B. durch Spritzgießen.
Das innere Teil wird vom äußeren Teil gehaltert.
Das äußere Teil ist ein Köper, in dem
sich eine rotationssymmetrische, halbtonnenförmige Ausnehmung
befindet, welche im Zusammenhang mit der Strahlformung einer Lichtquelle
auch als Konzentrator bezeichnet wird. Die Mantellinie des Konzentrators
ist vorzugsweise eine rationale Bezier-Kurve mit einem Eingangsradius
und einem Ausgangsradius, welche eine reflektierende Beschichtung
trägt oder selbst reflektierend ist.
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Das
innere Teil ist ein kegelförmiger Kern, dessen Mantellinie
vorzugsweise eine rationale Bezier-Kurve ist, welche eine reflektierende
Beschichtung trägt oder selbst reflektierend ist.
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Das
an den Kern des inneren Teils angrenzende Material muß für
die zu übertragende Strahlung transparent sein. Vorzugsweise
ist der Zwischenraum zwischen dem inneren Teil und dem äußeren
Teil hohl und mit Luft ausgefüllt. Sowohl der Lichtmischstab
als auch das Element zur Strahlformung können als sogenannter „Hohlintegrator” oder
als „Vollintegrator” ausgeführt sein.
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Die
drei Teile können aber auch aus einem Stück gefertigt
werden, wobei dann innen und außen spiegelnde Flächen
erforderlich sind.
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Das
Beleuchtungselement für die ringförmige Beleuchtung
wird insbesondere bei einer Funduskamera und bei einer transcorneale
Retinabeleuchtung verwendet, ist aber auch für andere Beleuchtungszwecke
anwendbar, bei denen eine ringförmige Beleuchtung erzielt
werden soll.
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Das
Beleuchtungselement für die ringförmige Beleuchtung
ist hocheffizient und liefert auch für eine matrixförmige
Anordnung von mehreren Lichtquellen eine definierte sowie homogene
Winkelverteilung.
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Der
Kern und das Loch des Beleuchtungselements können aber
auch vieleckförmig (z. B. Dreieck, Rechteck, Sechseck)
oder eine beliebige Formung aufweisen, wobei sich der Formen entsprechende
ringförmige Beleuchtungsfelder ergeben.
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Das
Beleuchtungselement wird in Verbindung mit einer LED-Lichtquelle
mit einzeln ansteuerbaren, matrixförmig angeordneten lichterzeugenden
Elementen betrieben, kann aber auch mit anderen matrixförmig angeordneten
Lichtquelle angewendet werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an Hand von Figuren beschrieben.
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Es
zeigen
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1:
Matrixförmige Anordnung von vier verschiedenen Leuchtdioden
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2:
Matrixförmige Anordnung von sechs Leuchtdioden aus drei
verschiedenen Arten
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3:
Matrixförmige Anordnung von acht Leuchtdioden aus vier
verschiedenen Arten
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4:
Matrixförmige Anordnung von vier verschiedenen Leuchtdioden,
wobei nur eine der Leuchtdioden Licht abstrahlt
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5:
Einfaches Element zur Strahlformung
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6:
Darstellung der Feldintensität am Ausgang des Elements
zur Strahlformung (Nahfeld) einer Anordnung nach 4 und 5
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7:
Darstellung der Intensität der Winkelverteilung am Ausgang
des Elements zur Strahlformung, gemessen im Fernfeld einer Anordnung
nach 4 und 5
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8:
Element zur Strahlformung mit Lichtmischstab (Hohlintegrator)
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9:
Eine weitere Ausführung eines Elements zur Strahlformung
mit Lichtmischstab aus einem Stück (Vollintegrator)
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10:
Darstellung der Feldintensität am Ausgang des Elements
zur Strahlformung (Nahfeld) einer Anordnung nach 9
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11:
Darstellung der Intensität der Winkelverteilung am Ausgang
des Elements zur Strahlformung, gemessen im Fernfeld einer Anordnung
nach 9.
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12:
Definition der Berechnungsgrößen
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Tabelle
1: Optisch/geometrische Parameter der Anordnungen nach 8 und 9
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Die 1 bis 3 zeigen
einige Beispiele, wie mehrere Leuchtdioden gleicher und/oder unterschiedlicher
spektraler Bereiche matrixförmig auf einem Chip angeordnet
sind. Die Leuchtdioden sind einzeln, unabhängig voneinander
ansteuerbar, so dass bestimmte Intensitäten und spektrale
Zusammensetzungen des Lichtes erzeugt werden können.
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In 4 ist
ein Chip mit vier Leuchtdioden dargestellt, wobei nur eine Diode
Licht aussendet. Wird eine solche matrixförmige Anordnung
mit einem einfachen ringformenden Element gekoppelt, wie es in 5 dargestellt
ist, ergeben sich die in 6 und 7 dargestellten
Intensitätsverteilungen, die erhebliche Abweichungen von
einer Ringform zeigen.
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Die 8 und 9 zeigen
Anordnungen für eine ringförmige Beleuchtung,
die ein LED-Bauelement 1 mit einer matrixförmigen
Anordnung von Leuchtdioden verwendet. Eine Lichteintrittsfläche 7 eines
Lichtmischstabes 2 ist mit der Oberfläche der
Leuchtdioden optisch gekoppelt. Eine Lichtaustrittsfläche 8 des
Lichtmischstabes 2 ist mit der Lichteintrittsfläche 9 eines äußeren
Teils 3 optisch gekoppelt. In eine Hohlkegelform 4 des äußeren
Teils 3 ist ein inneres Teil 5 eingelagert, wobei
eine Kegelform 6 des inneren Teils 5 zur Lichteintrittsfläche 9 des äußeren
Teils 3 zeigt. Die Lichtaustrittsfläche 10 am äußeren
Teil 3 erhält durch die zentrale Abschattung durch
die Form des inneren Teils 5 eine ringförmige
Ausbildung.
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Die 10 und 11 zeigen
für ein gemischtes 6 × 6-LED-Array mit zwei eingeschalteten
Elementen die Intensitätsverteilungen im Feld und im Winkel.
Im Vergleich zu den 6 und 7 ist die
wesentlich verbesserte Homogenität der Intensitäten
deutlich zuerkennen.
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Die
Formen der ringformenden Elemente, der Hohlkegelform
4 und
der Kegelform
6, des Elementes zur Strahlformung
11 werden
durch rationale Bezier-Kurven beschrieben:
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Und
n ist die Anzahl der Knoten, t ∈ [0,1], wi – ist
das Gewicht des i-ten Punktes und r i sind die Koordinaten der Punkte.
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In
unserem Fall wurden drei Punkte benutzt. Siehe 12.
Die Koordinaten der drei Punkte sind folgende: r 1 = (0, Rentr), r
1 = (CPlength, CPradius), r
1 = (Länge, Rexit). Das
holkegelförmige äußere Teil und das kegelförmige
innere Teil werde durch ähnliche Größen
beschrieben. Tabelle 1 liefert beispielhaft die entsprechenden Werte
für die Anordnungen nach der 8 und der 9.
Der Lichtmischstab 2 und das ringformende Element, bestehend
aus der Hohlkegelform 4 und der Kegelform 6, sind
hohl.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- LED-Bauelement
mit einer matrixförmigen Anordnung von Leuchtdioden
- 2
- Lichtmischstab
- 3
- Äußeres
Teil
- 4
- Hohlkegelform
- 5
- Inneres
Teil
- 6
- Kegelform
- 7
- Lichteintrittsfläche
des Lichtmischstabes
- 8
- Lichtaustrittsfläche
des Lichtmischstabes
- 9
- Lichteintrittsfläche
im äußeren Teil
- 10
- Lichtaustrittsfläche
im äußeren Teil
- 11
- Element
zur Strahlformung
- 12
- Optische
Achse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 20040131157
A1 [0002]
- - US 6542307 B2 [0002]
- - US 20070064202 A1 [0002]
- - US 20060215401 A1 [0002]
- - DE 102008005706 [0005]