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Die Erfindung bezieht sich auf die Einkopplung von Licht in Lichtleitfasern und Lichtleitern. Sie findet insbesondere Anwendung, wenn das Licht von Halbleiterbauelementen wie LEDs oder Diodenlasern ausgestrahlt wird und eine Lichtleitfaser oder ein Lichtleiter nah an die lichtausstrahlende Fläche gestellt werden kann. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Einkopplung von Licht in Einzelfasern oder in Lichtleiter aus einem Stück. Sie kann aber auch auf Lichtleitfaserbündel angewandt werden.
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Für die Einkopplung von Licht in Lichtleitfasern gibt es bereits verschiedene Lösungen. In der Offenlegungsschrift
DE 10 2007 027 615 A1 wird in der Beschreibung zum Stand der Technik die direkte Stoßkoppung zwischen einer Lichtleitfaser auf einer LED-Lichtquelle erwähnt. In der Offenlegungsschrift
DE 10 2008 022 252 A1 ist diese Stoßkopplung noch einmal ausführlich beschrieben worden. Die Lichteintrittsseite der Lichtleitfaser wird hierbei dicht an die LED angestellt. Der Vorteil dieser Lösung ist, dass keine zusätzlichen optischen Bauelemente wie Linsen benötigt werden. Nachteil dieser Anordnung ist, dass die Lichtstärke des von der Lichtleitfaser ausgesandten Lichtes auf der optischen Achse nicht der maximal möglichen Lichtstärke entspricht, die die Leuchtdichte dieses Systems erlaubt. Die beste Einkopplung des Lichtes und damit die maximal mögliche Lichtstärke wird erzielt, wenn man die strahlende Fläche der Lichtquelle über eine oder mehrere Linsen auf die Lichtleitfasereintrittsfläche bestmöglich abbildet. Dieses Prinzip ist z. B. in den Offenlegungsschriften
DE 10 2007 015 072 A1 und
DE 10 2007 027 615 A1 beschrieben worden. Nachteil dieser Lösung ist der offensichtlich höhere Aufwand gegenüber der so genannten Stoßkopplung.
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Für viele optische Systeme ist es vorteilhaft, wenn das aus einer Lichtleitfaser oder einem Lichtleiter austretende Licht auf der optischen Achse eine maximale Lichtstärke bzw. Strahlstärke aufweist. Dies ist z. B. beim Durchtritt des Lichtes durch nachfolgende optische Systeme vorteilhaft, um möglichst viel Licht durch dieselben durchleiten zu könnten. Aber auch in frei nach dem Lichtleitfaserende strahlenden Systemen kann auf diese Weise auf einer Fläche im Zentrum eine maximale Beleuchtungsstärke erzielt werden.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Lichteinkopplung in Lichtleitfasern oder Lichtleiter durch Stoßkopplung zur Lichtquelle zu erzielen, bei der eine bessere Lichtstärke auf der optischen Achse erzielt wird als es nach dem Stand der Technik bisher möglich war.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Lichteintrittsfläche der Lichtleitfaser eine konvexe Form, eine kegelförmige Form oder eine Kombination zwischen beidem erhält, so dass die steileren Lichtstrahlen mit einer größeren Numerischen Apertur beim Auftreffen auf die Lichtleitfasereintrittsfläche stärker gebrochen werden als an einer ebenen Fläche, die senkrecht zur Lichtleitfaserachse bzw. Lichtleiterachse ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Lichtleitfasereintrittsfläche wird dicht an das lichtemittierende Bauelement gestellt. Hierbei kann eine Stoßkopplung oder eine Kopplung mit geringem Abstand (< 5 mm) realisiert werden. Die stärkere Brechung der Lichtstrahlen mit größerer Numerischer Apertur an der Lichteintrittsfläche bewirkt erstens, dass die Lichtstrahlen die Lichtleitfaser mit geringerem Neigungswinkel durchlaufen und zweitens, dass die Lichtstrahlen nach dem Austritt aus der Lichtleitfaser oder des Lichtleiters mit einer geringeren Numerischen Apertur verlassen. Somit können erfindungsgemäß bei einer beschriebenen Stoßkopplung Lichtstrahlen mit einer höheren Numerischen Apertur übertragen werden, da die NA der Lichtleitfaser die Möglichkeit der Strahlweiterleitung begrenzt und durch die Erfindung in einem gewissen Bereich eingangsseitig steilere Strahlen nicht an der Mantelfläche des Lichtleiters ausgekoppelt werden. Die beabsichtigte Steigerung der Lichtstärke in der Nähe der optischen Achse und auf der optischen Achse wird bewirkt, indem Strahlen mit einer eingangsseitig höheren Apertur nach dem Austritt aus der Lichtleitfaser eine geringere Apertur aufweisen. Die Möglichkeit zur Aufnahme einer eingangsseitig größeren Apertur bewirkt, dass insgesamt mehr Lichtstrom von einer Lichtleitfaser, einem Lichtleitfaserbündel oder dem Lichtleiter aufgenommen werden kann. Für eine weitere Optimierung kann die konvexe Fläche auch asphärisch geformt sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung an einem Beispiel erläutert:
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In 1 wird eine Stufenindex-Lichtleitfaser (1) mit einem Außendurchmesser von 1,5 mm und einer NA = 0,5 an eine LED (2) angestellt (Stoßkopplung). Durch arcsin(0,5) ist bestimmt, dass die Lichtleitfaser Lichtstrahlen übertragen kann, wenn diese in Luft einen Winkel ≤ 30° zur optischen Achse (3) einnehmen. Die Brechzahl des Kernmaterials ist 1,49. Damit besitzen die Lichtstrahlen (4) mit der größten Neigung in der Faser einen Winkel von 19,6° zur optischen Achse. Lichtstrahlen, die auf die Lichtleitfaser in unterschiedlicher Höhe in gleichem Winkel treffen, treten in demselben Winkel wieder aus der Lichtleitfaser aus. Dadurch wird bei einer gleichmäßigen Lichtstärkeverteilung des von der Lichtquelle ausgesandten Lichtes eine gleichmäßige Lichtstärkeverteilung des aus der Lichtleitfaser austretenden Lichtkegels über den Bereich ±30° erzeugt. Lichtstrahlen, die mit einer größeren Neigung zur optischen Achse in Luft aus der LED austreten, werden von der Lichtleitfaser nicht übertragen.
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2 beschreibt die erfindungsgemäße Ausführung. Die Lichtleitfaser (5) besitzt am Lichteintritt eine konvexe Fläche (6) mit dem Radius R = 1 mm. Ein am Rand einfallender Lichtstrahl (7), der in Luft einen Winkel von 30° zur optischen Achse (3) einnimmt, wird an der konvexen Fläche (6) stärker gebrochen als an einer ebenen, senkrechten Eintrittsfläche. Dadurch besitzt dieser Lichtstrahl im Kernmaterial der Lichtleitfaser (5) nur einen Winkel von 5,1° und nach dem Austritt aus der Lichtleitfaser nur einen Winkel von nur 7,6° zur optischen Achse (3). Ein Lichtstrahl (8), der vom Zentrum der LED (2) unter 30° in Luft zur optischen Achse auf die Lichtleitfasereintrittsfläche (6) trifft, besitzt im Kernmaterial der Lichtleitfaser (5) einen Winkel von 18,7° und nach dem Austritt aus der Lichtleitfaser einen Winkel von 28,5° zur optischen Achse (3). Ein Lichtstrahl (9), der etwa von der Mitte der LED (2) unter 40° in Luft zur optischen Achse auf die Lichtleitfasereintrittsfläche (6) trifft, besitzt im Kernmaterial der Lichtleitfaser (5) eine Winkel von 14,7° und nach dem Austritt aus der Lichtleitfaser einen Winkel von 22,2° zur optischen Achse (3). Damit ist dargelegt, dass die Lichtleitfaser in dieser erfindungsgemäßen Ausführung die Lichtstrahlen in einem größeren Winkelbereich aufnimmt und weiterleitet und dass die Lichtstärke- bzw. Strahlstärkeverteilung des aus der Lichtleitfaser austretenden Lichtes die gewünschte Verstärkung für den achsnahen Bereich erhält.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007027615 A1 [0002, 0002]
- DE 102008022252 A1 [0002]
- DE 102007015072 A1 [0002]
