DE102009049057B4

DE102009049057B4 - LED-Modul, Verfahren zum Betreiben dieses LED-Moduls und Beleuchtungsvorrichtung mit diesem LED-Modul

Info

Publication number: DE102009049057B4
Application number: DE102009049057.4A
Authority: DE
Inventors: Nadir Farchtchian
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2009-10-12
Filing date: 2009-10-12
Publication date: 2018-10-25
Anticipated expiration: 2029-10-13
Also published as: CN102573609A; KR20120097501A; DE102009049057A1; WO2011045189A3; US20120201026A1; WO2011045189A2; JP2013507746A

Abstract

LED-Modul (2) mitmindestens einem Leuchtdioden(LED)-Chip (9), der auf einem Träger (8) angeordnet ist,dadurch gekennzeichnet, dassvier LED-Chips (9) als 2x2-LED-Array auf dem Träger (8) angeordnet sind, wobeijeder LED-Chip (9) für den Betrieb mit einer Stromstärke von mindestens 1,4 Ampere ausgelegt ist und von einer Treiberelektronik separat mit Gleichstrom von bis zu 6 Ampere angesteuert wird.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Modul mit einem oder mehreren Leuchtdioden-Chips, im Folgenden verkürzend als LED-Modul (LED: Licht emittierende Diode) bezeichnet. Der Begriff Leuchtdioden-Chip bezeichnet hier den Licht erzeugenden Teil einer LED.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Beleuchtungsvorrichtung mit diesem LED-Modul, wobei diese Beleuchtungsanordnung mit dem LED-Modul für die Verwendung mit länglichen Lichtleitern vorgesehen ist. Hierzu zählen insbesondere faseroptische Anwendungen unter anderem für medizinische oder industrielle Diagnostik, Überwachung und Operation wie beispielsweise Endoskopie, Boroskopie und Mikroskopie.
Stand der Technik
Bisher wurden sowohl für Endoskope als auch für Boroskope überwiegend Halogen- oder Entladungslampen, insbesondere Xenon-Entladungslampen mit einer Leistung von ca. 100 bis 300 W eingesetzt. Um die Wärmebelastung durch das aus dem Endoskop bzw. Boroskop austretende Licht dieser Lampen zu reduzieren, werden Infrarotfilter zwischen Lampe und Lichtleiter eingesetzt. Außerdem wird das Licht der Lampen über geeignete Reflektoren auf die Eintrittsfläche des länglichen Lichtleiters fokussiert. Die dabei erzielbare hohe Leuchtdichte auf der Eintrittsfläche ist für die Funktionalität des Systems entscheidend.
Die Lichtfaserbündel, die als Lichtleiter für die Endoskopie, Boroskopie und Mikroskopie eingesetzt werden, haben typischerweise einen Durchmesser von weniger als fünf Millimeter und eine numerische Apertur von typischerweise 0,5 bis 0,7. Außerdem sind für die vorgenannten Verwendungszwecke typische Leuchtdichten von 80·10⁶cd/m² und mehr erforderlich. Ein Ersatz konventioneller Lampen auf der Basis von LED setzt eine kompakte LED-Anordnung mit einer sehr hohen Leuchtdichte voraus.
Die Schrift US 2006/0158896 A1 offenbart eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer LED, deren Licht in einen Lichtleiter eingekoppelt wird. Die Beleuchtungsvorrichtung ist beispielsweise für die Endoskopie vorgesehen. Als hierfür geeignet wird eine Hochleistungsleuchtdiode mit einer Leistungsaufnahme von ca. 1 bis 5 W, beispielsweise eine Luxeon III Model LXHL-LW3C von Lumileds Lighting, San Jose, Kalifornien, angesehen. Außerdem ist der Lichtleiter unmittelbar über der Licht abstrahlenden Fläche des LED-Chips angeordnet.
Die Schrift US 2009/0076328 A1 offenbart ein Endoskop, dessen eines Ende einen Lichtleiter aufweist. Im Innern des Endoskops ist eine auf einem Träger montierte LED angeordnet, die mit einem Strom von bis zu 1,5 Ampere betrieben wird. Das Licht der LED wird in den Lichtleiter eingekoppelt.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein LED-Modul anzugeben, das für die Lichteinkopplung in dünnen Lichtleitern geeignet ist, insbesondere in Faseroptiken.
Eine weiterer Aspekt der Erfindung ist es, auf der Basis dieses LED-Moduls eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Lichtkoppler bereitzustellen, die am Eingang eines länglichen Lichtleiters, beispielsweise eines Faserbündels oder Flüssigkeitslichtleiters, eine ausreichend hohe Leuchtdichte, insbesondere für Endoskopie, Boroskopie und Mikroskopie, erzielt.
Außerdem wird Schutz begehrt für ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen LED-Moduls sowie auf die Verwendung desselben für Endoskope, Boroskope und Mikroskope.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein LED-Modul mit mindestens einem Leuchtdioden(LED)-Chip, der auf einem Träger angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass vier LED-Chips als 2x2-LED-Array auf dem Träger angeordnet sind, wobei jeder LED-Chip für den Betrieb mit einer Stromstärke von mindestens 1,4 Ampere ausgelegt ist und von einer Treiberelektronik separat mit Gleichstrom von bis zu 6 Ampere angesteuert wird.
Hinsichtlich der Beleuchtungsvorrichtung, des Betriebsverfahren und der Verwendung des erfindungsgemäßen LED-Moduls wird auf die jeweiligen darauf gerichteten unabhängigen Ansprüche verwiesen.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, bei einem LED-Modul die für Lichtleiteranwendungen wie Endoskopie, Boroskopie und Mikroskopie notwendige hohe Leuchtdichte von typisch 80·10⁶ cd/m² und mehr durch ein 2×2-LED-Array zu erreichen, wobei jeder LED-Chip für einen Betriebsstrom von mindestens 1,4 Ampere ausgelegt ist.
Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Fläche jedes Chips des 2x2-LED-Arrays mindestens 1,5 mm² beträgt.
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass jeder LED-Chip direkt auf dem Träger angeordnet ist. Dadurch lässt sich die Wärmeabfuhr vom LED-Chip verbessern, da der Träger vorzugsweise aus einem besonders gut Wärme leitenden Material, beispielsweise Kupfer, besteht. Zudem ist der LED-Träger vorzugsweise auf einem Kühlkörper angeordnet, der die Verlustwärme der LEDs besonders gut an die Umgebung oder ein Kühlmittel abgibt. Ferner ist es bevorzugt, dass jeder einzelne LED-Chip weder ein Gehäuse noch eine Primäroptik aufweist. Dadurch lassen sich die LED-Chips relativ dicht nebeneinander zu dem LED-Array anordnen (Multi-Chip on Board Technologie). Dabei kann es zum Schutz vor äußeren Einflüssen eventuell vorteilhaft sein, das LED-Array insgesamt mit einem Gehäuse oder einer Schutzschicht, einem Schutzglas oder ähnlichem zu versehen.
Generell werden erfindungsgemäß LED-Chips vom Oberflächenstrahlertyp bevorzugt, bei dem der ganz überwiegende Teil, typischerweise mehr als 90%, über die obere Deckfläche des LED-Chip abgestrahlt wird. Dabei handelt es sich insbesondere um LED-Chips in Dünnfilmtechnologie (wie beispielsweise OSRAM ThinGaN^®). Es sind LED-Chips bevorzugt, die mittels Leuchtstoffkonversion Licht mit einer spektralen Halbwertsbreite von größer oder gleich 50 nm, insbesondere auch weißes, Licht emittieren, beispielsweise LEDs vom Typ ultraweiß oder warmweiß. Prinzipiell kommen je nach Anwendungsgebiet nicht nur für das menschliche Auge sichtbares Licht, sondern auch Ultraviolett(UV)- oder Infrarot(IR)-Strahlung emittierende LED-Chips in Betracht.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung weist das vorstehend beschriebene LED-Modul sowie einen Lichtkoppler auf. Der Lichtkoppler ist beispielsweise als nichtabbildendes optisches Element ausgebildet und weist eine Einkoppelfläche und eine Auskoppelfläche auf. Dabei ist der Lichtkoppler in Bezug auf das LED-Modul so angeordnet, dass das von dem LED-Array im Betrieb emittierte Licht in die Einkoppelfläche des Lichtkopplers einkoppelt.
In einer Weiterbildung ist die Einkoppelfläche des Lichtkopplers kleiner als die Auskoppelfläche. Um Einkoppelverluste möglich gering zu halten kann es vorteilhaft sein, die Einkoppelfläche des Lichtkopplers rechteckig zu formen und auf die Gesamtfläche des LED-Arrays anzupassen. Zur weiteren Verringerung der Einkoppelverluste können die Einkoppelfläche und/oder die Auskoppelfläche mit einer Antireflexschicht versehen sein. Um mit dem erfindungsgemäßen LED-Modul im Betrieb eine für viele faseroptische Anwendungen wie Endoskopie, Boroskopie oder Mikroskopie notwendige Leuchtdichte von 80·10⁶ cd/m² und mehr erreichen zu können, ist es vorgesehen, jeden LED-Chip des LED-Arrays mit einem Strom größer oder gleich 1,4 Ampere zu betreiben. Dazu wird jeder LED-Chip von einer Treiberelektronik separat mit Gleichstrom von bis zu 6 Ampere angesteuert.
Mit Hilfe des Lichtkopplers, insbesondere eines nichtabbildenden optischen Elements, der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung wird das von diesem LED-Array emittierte Licht in den Lichtleiter eingekoppelt.
Die vorstehend beschriebene Beleuchtungsvorrichtung ist vorzugsweise für die Verwendung in einem Endoskop, Boroskop oder Mikroskop vorgesehen.
Figurenliste
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die einzige Figur zeigt:

Fig. eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen LED-Modul und einem länglichen Lichtleiter.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die einzige Figur zeigt in einer Seitenansicht stark schematisch eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung 1 für die Verwendung in einem Endoskop. Die Beleuchtungsvorrichtung 1 besteht aus einem LED-Modul 2, einem Kühlkörper 3, auf dem das LED-Modul 2 angeordnet ist sowie einem Lichtkoppler 4. Ebenfalls dargestellt ist ein Lichtleiter 5 mit Lichtfasern 6, die von einem Mantel 7 umgeben sind. Das LED-Modul 2 vom Typ Power-OSTAR der Firma OSRAM Opto Semiconductor besteht aus einem plattenförmigen Träger 8 aus Kupfer mit vergoldeter Oberfläche und insgesamt vier LED-Chips 9. Jeder der vier LED-Chips 9 hat eine Fläche von 2 mm² und emittiert im Betrieb weißes Licht. Zur besseren Wärmeabfuhr sind die vier LED-Chips 9 direkt auf der von dem Kühlkörper 3 abgewandten Seite des Trägers 8 aufgelötet. Dabei sind die vier LED-Chips 9 mit einem gegenseitigen Abstand von 70 µm zu einem 2⊗2-Array dicht gepackt auf dem Träger 8 angeordnet. Jeder der vier LED-Chips 8 wird von einer Treiberelektronik separat mit Gleichstrom von bis zu 6 Ampere angesteuert (nicht dargestellt).Damit wird eine Leuchtdichte von über 80·10⁶cd/m² erzielt. Zum Dimmen ist die Leuchtdichte der LED zwischen 5% und 100% einstellbar. Der Lichtkoppler 4 ist als ein längliches, nichtabbildendes optisches Element ausgebildet mit einer den vier LED-Chips 9 zugewandten Einkoppelfläche 10 und einer dem Eingang des Lichtleiters 5 zugewandten Auskoppelfläche 11. Zwischen Einkoppelfläche 10 und LED-Chips 4 einerseits sowie Auskoppelfläche 11 und Lichtleiter 5 andererseits ist jeweils ein Luftspalt vorgesehen. Der Luftspalt ist für die Justage und mechanische Toleranzen notwendig und sollte 0,5 mm nicht überschreiten, um die Verluste gering zu halten. Die Einkoppelfläche 10 des Lichtkopplers 4 ist etwas größer als die Gesamtfläche des LED-Arrays aus den vier LED-Chips 9. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Querschnitt des Lichtkopplers kreisförmig. Um die Einkoppeleffizienz weiter zu verbessern, kann der Querschnitt des Lichtkopplers auch an die rechteckige Gesamtfläche des LED-Arrays angepasst sein. Die Auskoppelfläche 11 des Lichtkopplers 4 ist der Eintrittsfläche 12 des Lichtleiters 5 angepasst und etwas größer als die Einkoppelfläche 10.

Claims

LED-Modul (2) mit mindestens einem Leuchtdioden(LED)-Chip (9), der auf einem Träger (8) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass vier LED-Chips (9) als 2x2-LED-Array auf dem Träger (8) angeordnet sind, wobei jeder LED-Chip (9) für den Betrieb mit einer Stromstärke von mindestens 1,4 Ampere ausgelegt ist und von einer Treiberelektronik separat mit Gleichstrom von bis zu 6 Ampere angesteuert wird.
LED-Modul nach Anspruch 1, wobei die Fläche jedes LED-Chips (9) mindestens 1,5 mm² beträgt.
LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Leuchtstoff vorgesehen ist, der das Licht des mindestens einen LED-Chips (9) in Licht mit einer spektralen Halbwertsbreite von größer oder gleich 50 nm konvertiert.
LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein LED-Chip Ultraviolett(UV)- oder Infrarot(IR)-Strahlung emittiert.
Beleuchtungsvorrichtung (1) mit einem LED-Modul (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und einem Lichtkoppler (4) mit einer Einkoppelfläche (10) und einer Auskoppelfläche (11), wobei der Lichtkoppler (4) in Bezug auf das LED-Modul (2) so angeordnet ist, dass das von dem LED-Chip-Array (9) im Betrieb emittierte Licht in die Einkoppelfläche (10) des Lichtkopplers (4) einkoppelt.
Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Einkoppelfläche (10) des Lichtkopplers (4) kleiner ist als dessen Auskoppelfläche (11).
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei die Einkoppelfläche (10) des Lichtkopplers (4) rechteckig geformt und auf die Fläche des LED-Chip-Arrays (9) angepasst ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Einkoppelfläche (10) und/oder die Auskoppelfläche (11) mit einer Antireflexschicht versehen ist.
Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der Lichtkoppler (4) als nichtabbildendes optisches Element ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines LED-Moduls (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei jeder LED-Chip mit einem Strom größer oder gleich 1,4 Ampere betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Höhe des Stroms so gewählt wird, dass eine Leuchtdichte von mindestens 80·10⁶cd/m² erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, wobei das LED-Modul (2) in einer Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 9 eingebaut ist.
Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9 in einem Endoskop oder Boroskop.
Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9 in einem Mikroskop.