DE102009035584A1 - Annular-shaped illumination arrangement for e.g. transcorneal retina illumination, has cone end pointed towards light entrance surface, where optical coupling of light exit surface of light mixing rod takes place at entrance surface - Google Patents

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Abstract

The arrangement has a beam formation element (11) e.g. hollow integrator, comprising an outer part (3) with a cone-shaped inner shell surface. The element comprises an inner part (5) with a cone-shaped outer shell surface. Cone shape (6) of the inner part with a cone end is extended into hollow cone shape (4) of the outer part. The end is pointed towards a light entrance surface (9) of the outer part. Optical coupling of a light exit surface (8) of a light mixing rod takes place at the entrance surface. An LED component (1) is coupled to a light entrance surface (7) of the rod. The LED component comprises a matrix arrangement of LEDs. The beam formation element is designed as a complete integrator.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine ringförmige Beleuchtung, die ein trichterförmiges Element zur ringförmigen Strahlformung verwendet.The The invention relates to an arrangement for an annular Lighting, which is a funnel-shaped element to the annular Beam forming used.

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.In US 20040131157 A1 . US 6542307 B2 . US 20070064202 A1 and US 20060215401 A1 It is shown that a funnel-shaped element can be used very efficiently for different application areas. The advantage of such an element is compactness, efficiency in the conversion of the light flux emitted by the light source into a light flux accepted by the subsequent optical system. It is intended to achieve a homogenization of the radiation at an angle and / or in the field.

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.Some optical systems in medical devices and others Applications call for a circular field distribution and homogeneous angular distribution simultaneously, z. B. a pupil separation to realize. The known solution to this problem exists to block out radiation by means of a circular aperture.

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.in the Increasing dimensions are due to conventional light sources LED replaced. In this case, LEDs are used, which are a single light-generating Element. A greater variability but offer LED components, which are a matrix-shaped Arrangement of the light-generating elements has. These elements can be the same and / or different spectral light Send out areas.

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).In DE 10 2008 005 706 is an illumination element for an annular illumination describe, in which a light source is coupled to a funnel-shaped reflector. On the funnel-shaped reflector, an inner cone is arranged on its Lichtauskoppelseite. The funnel-shaped reflector and the inner cone provide a lighting ring with a homogeneous light distribution (see 5 ). The problem here is that with the use of light sources that use matrix-like arranged individual radiation sources, a sufficient homogenization can not be achieved (see 4 and 5 as well as the field distributions in the 6 and 7 ).

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.The Invention is intended to solve the problem, another lighting element to create an annular lighting which is inexpensive to produce. It should be the light radiation a light source, which individually controllable, matrix-shaped having arranged light-emitting elements, if possible efficiently reshape and with a predetermined as well as possible homogeneous circular angular distribution and with a predetermined and as homogeneous as possible annular Send field distribution.

Die Lösung des Problems gelingt mit den Merkmalen das Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche 2 bis 5 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Patentanspruchs 1.The Solution of the problem succeeds with the features of the claim 1. The dependent claims 2 to 5 are advantageous embodiments of claim 1

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.The inventive solution provides a excellent homogeneity of the angular and field distribution of annular shaped rays even in the case that only a single light-generating element from the matrix of the light-generating Elements emit light.

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.According to the Invention consists of the proposed solution of three individual Parts that are assembled together: a light mixing rod, an outer one Part with a hollow cone and an inner Tel with a cone-shaped Outer surface. The inside part is with its cone point inserted into the hollow cone of the outer part so that a ring for the light emission remains free.

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.Of the Light mixing rod and the outer part can but also be made as a single part, for. B. by injection molding. The inner part is held by the outer part. The outer part is a twill in which itself a rotationally symmetrical, half-barrel-shaped recess which is associated with beam forming a light source Also referred to as a concentrator. The generatrix of the concentrator is preferably a rational Bezier curve with an input radius and an exit radius which is a reflective coating wears or is self reflective.

Das innere Teil ist ein kegelförmiger Kern, dessen Mantellinie vorzugsweise eine rationale Bezier-Kurve ist, welche eine reflektierende Beschichtung trägt oder selbst reflektierend ist.The inner part is a cone-shaped core whose generatrix preferably a rational Bezier curve, which is a reflective Coating carries or is self-reflective.

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.The material adjacent the core of the inner part must be transparent to the radiation to be transmitted. Preferably, the space between the inner part and the outer part is hollow and filled with air. Both the light mixing rod and the element for beam shaping can as so-called ter "hollow integrator" or designed as a "full integrator".

Die drei Teile können aber auch aus einem Stück gefertigt werden, wobei dann innen und außen spiegelnde Flächen erforderlich sind.The but three parts can also be made in one piece become, whereby then inside and outside reflecting surfaces required are.

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.The Lighting element for the annular lighting is especially in a fundus camera and a transcorneal Retinal illumination is used, but is also for other lighting purposes applicable, in which achieved an annular lighting shall be.

Das Beleuchtungselement für die ringförmige Beleuchtung ist hocheffizient und liefert auch für eine matrixförmige Anordnung von mehreren Lichtquellen eine definierte sowie homogene Winkelverteilung.The Lighting element for the annular lighting is highly efficient and also delivers for a matrix-shaped Arrangement of multiple light sources a defined and homogeneous Angular distribution.

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.Of the Core and the hole of the lighting element but can also polygonal (eg triangle, rectangle, hexagon) or have any shape, wherein the forms corresponding result in annular illumination fields.

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.The Lighting element is used in conjunction with an LED light source with individually controllable, matrix-shaped light-generating Operated elements, but can also be arranged with other matrix Be applied light source.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Figuren beschrieben.The The invention will be described below with reference to figures.

Es zeigenIt demonstrate

1: Matrixförmige Anordnung von vier verschiedenen Leuchtdioden 1 : Matrix arrangement of four different light emitting diodes

2: Matrixförmige Anordnung von sechs Leuchtdioden aus drei verschiedenen Arten 2 : Matrix arrangement of six light-emitting diodes of three different types

3: Matrixförmige Anordnung von acht Leuchtdioden aus vier verschiedenen Arten 3 : Matrix arrangement of eight light emitting diodes of four different types

4: Matrixförmige Anordnung von vier verschiedenen Leuchtdioden, wobei nur eine der Leuchtdioden Licht abstrahlt 4 : Matrix-shaped arrangement of four different light emitting diodes, wherein only one of the light emitting diodes light

5: Einfaches Element zur Strahlformung 5 : Simple element for beam forming

6: Darstellung der Feldintensität am Ausgang des Elements zur Strahlformung (Nahfeld) einer Anordnung nach 4 und 5 6 : Representation of the field intensity at the output of the element for beam shaping (near field) of an arrangement according to 4 and 5

7: Darstellung der Intensität der Winkelverteilung am Ausgang des Elements zur Strahlformung, gemessen im Fernfeld einer Anordnung nach 4 und 5 7 : Representation of the intensity of the angular distribution at the output of the element for beam shaping, measured in the far field of an arrangement according to 4 and 5

8: Element zur Strahlformung mit Lichtmischstab (Hohlintegrator) 8th : Element for beam forming with light mixing rod (hollow integrator)

9: Eine weitere Ausführung eines Elements zur Strahlformung mit Lichtmischstab aus einem Stück (Vollintegrator) 9 : A further embodiment of an element for beam forming with light mixing rod from one piece (full integrator)

10: Darstellung der Feldintensität am Ausgang des Elements zur Strahlformung (Nahfeld) einer Anordnung nach 9 10 : Representation of the field intensity at the output of the element for beam shaping (near field) of an arrangement according to 9

11: Darstellung der Intensität der Winkelverteilung am Ausgang des Elements zur Strahlformung, gemessen im Fernfeld einer Anordnung nach 9. 11 : Representation of the intensity of the angular distribution at the output of the element for beam shaping, measured in the far field of an arrangement according to 9 ,

12: Definition der Berechnungsgrößen 12 : Definition of the calculation quantities

Tabelle 1: Optisch/geometrische Parameter der Anordnungen nach 8 und 9 Table 1: Optical / geometric parameters of the arrangements according to 8th and 9

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.The 1 to 3 show some examples of how several LEDs of the same and / or different spectral regions are arranged in a matrix on a chip. The light-emitting diodes are individually controllable independently of each other so that certain intensities and spectral compositions of the light can be generated.

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.In 4 a chip with four LEDs is shown, with only one diode emits light. If such a matrix-like arrangement is coupled with a simple ring-forming element, as shown in FIG 5 is shown, the result in 6 and 7 shown intensity distributions showing significant deviations from a ring shape.

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.The 8th and 9 show arrangements for an annular illumination, which is an LED device 1 used with a matrix-shaped arrangement of LEDs. A light entry surface 7 a light mixing rod 2 is optically coupled to the surface of the LEDs. A light exit surface 8th of the light mixing rod 2 is with the light entry surface 9 an outer part 3 optically coupled. In a hollow cone shape 4 of the outer part 3 is an inner part 5 embedded, being a cone shape 6 of the inner part 5 to the light entry surface 9 of the outer part 3 shows. The light exit surface 10 on the outer part 3 obtained by the central shading by the shape of the inner part 5 an annular formation.

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.The 10 and 11 show for a mixed 6x6 LED array with two elements on the intensity distributions in the field and at an angle. Compared to the 6 and 7 the significantly improved homogeneity of the intensities is clearly recognizable.

Die Formen der ringformenden Elemente, der Hohlkegelform 4 und der Kegelform 6, des Elementes zur Strahlformung 11 werden durch rationale Bezier-Kurven beschrieben:

Figure 00050001
The shapes of the ring-forming elements, the hollow cone shape 4 and the cone shape 6 , the beamforming element 11 are described by rational Bezier curves:
Figure 00050001

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.And n is the number of nodes, t ∈ [0,1], w i - is the weight of the i-th point and r i are the coordinates of the points.

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.In our case, three points were used. Please refer 12 , The coordinates of the three points are as follows: r 1 = (0, R entr ), r 1 = (CP length , CP radius ), r 1 = (length, R exit ). The holgelgelförmige outer part and the conical inner part will be described by similar sizes. Table 1 provides by way of example the corresponding values for the arrangements according to the 8th and the 9 , The light mixing rod 2 and the ring-forming element consisting of the hollow cone shape 4 and the cone shape 6 , are hollow.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
LED-Bauelement mit einer matrixförmigen Anordnung von LeuchtdiodenLED component with a matrix-like arrangement of light-emitting diodes
22
LichtmischstabLight mixing rod
33
Äußeres Teilappearance part
44
HohlkegelformHollow cone shape
55
Inneres TeilInterior part
66
Kegelformcone shape
77
Lichteintrittsfläche des LichtmischstabesLight entry surface of the light mixing rod
88th
Lichtaustrittsfläche des LichtmischstabesLight-emitting surface of the light mixing rod
99
Lichteintrittsfläche im äußeren TeilLight entry surface in the outer part
1010
Lichtaustrittsfläche im äußeren TeilLight-emitting surface in the outer part
1111
Element zur Strahlformungelement for beam shaping
1212
Optische Achseoptical axis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - US 20040131157 A1 [0002] US 20040131157 A1 [0002]
  • - US 6542307 B2 [0002] - US 6542307 B2 [0002]
  • - US 20070064202 A1 [0002] US 20070064202 A1 [0002]
  • - US 20060215401 A1 [0002] US 20060215401 A1 [0002]
  • - DE 102008005706 [0005] - DE 102008005706 [0005]

Claims (5)

Anordnung für eine ringförmige Beleuchtung, mit einem LED-Bauelement (1) welches matrixförmig angeordnete emittierende Leuchtdioden aufweist, wobei das LED-Bauelement (1) an eine Lichteintrittsfläche (7) eines Lichtmischstabes (2) angekoppelt ist und an einer Lichtaustrittsfläche (8) des Lichtmischstabes (2) ein Element zur Strahlformung (11) angeordnet ist, wobei das Element zur Strahlformung (11) ein äußeres Teil (3) aufweist, dessen hohlkegelförmige innere Mantelflächen (4) Strahlen reflektierend ist und ein inneres Teil (5) aufweist, dessen kegelförmige äußere Mantelfläche (6) Strahlen reflektierend ist und die Kegelform (6) des inneren Teils (5) mit seiner Spitze in die Hohlkegelform (4) des äußeren Teils (3) hineinragt und diese Spitze zu der Lichteintrittsfläche (9) des äußeren Teils zeigt und wobei eine optische Ankopplung einer Lichtaustrittsfläche (7) des Lichtmischstabes (2) an die Lichteintrittsfläche (9) im äußeren Teil (3) erfolgt.Arrangement for an annular illumination, with an LED component ( 1 ) which has emitting diodes arranged in the form of a matrix, wherein the LED component ( 1 ) to a light entry surface ( 7 ) of a light mixing rod ( 2 ) is coupled and at a light exit surface ( 8th ) of the light mixing rod ( 2 ) a beamforming element ( 11 ), the beam shaping element ( 11 ) an outer part ( 3 ), the hollow cone-shaped inner lateral surfaces ( 4 ) Rays is reflective and an inner part ( 5 ), whose conical outer surface ( 6 ) Rays is reflective and the cone shape ( 6 ) of the inner part ( 5 ) with its tip in the hollow cone shape ( 4 ) of the outer part ( 3 ) protrudes and this tip to the light entry surface ( 9 ) of the outer part and wherein an optical coupling of a light exit surface ( 7 ) of the light mixing rod ( 2 ) to the light entry surface ( 9 ) in the outer part ( 3 ) he follows. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkegelform (4) und/oder die Kegelform (6) des Elements zur Strahlformung (11) eine rotationssymmetrische Form aufweist oder vieleckig ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the hollow cone shape ( 4 ) and / or the cone shape ( 6 ) of the beamforming element ( 11 ) has a rotationally symmetrical shape or is polygonal. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtmischstab (2) rund, rechteckig oder sechseckig ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the light mixing rod ( 2 ) is round, rectangular or hexagonal. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element zur Strahlformung (11) als Hohlintegrator oder als Vollintegrator ausgebildet ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the element for beam shaping ( 11 ) is designed as a hollow integrator or as a full integrator. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtmischstab (2) massiv ist oder hohl ist.Arrangement according to claim 1, characterized in that the light mixing rod ( 2 ) is solid or hollow.
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