DE102010013835B4

DE102010013835B4 - Vorrichtung zur Kopplung von LED an Faserbündel in der Endoskopie

Info

Publication number: DE102010013835B4
Application number: DE201010013835
Authority: DE
Inventors: Martin Moldenhauer; Jens Urban; Helmut Laser; Sebastian Knuth
Original assignee: Xion GmbH
Current assignee: Xion GmbH
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2014-07-24
Anticipated expiration: 2030-03-27
Also published as: DE102010013835A1

Abstract

Faserbündel zur Verwendung in der Endoskopie unter Verwendung handelsüblicher LED mit einer planen LED-Chipfläche, zur Kopplung des von der LED in den Raum emittierten Lichtes in eine Einkoppelfläche des Faserbündels dadurch gekennzeichnet, dass das Faserbündel eine in Abhängigkeit von den geometrischen Formen und Größen des LED-Chips und der Einkoppelfläche des Faserbündels errechnete 3-dimensionale Oberflächenform an der der LED zugeordneten Einkoppelfläche aufweist, dass die Einkoppelfläche des Faserbündels am Rand der planen LED-Chipfläche einen größeren Abstand senkrecht zur planen LED-Chipfläche hat als in deren Mitte, und dass die in den von der planen LED-Chipfläche beabstandeten Bereichen der Einkoppelfläche endenden Fasern des Faserbündels an ihrer Faserendfläche mit einem Anschliffwinkel derart schräg angeschliffen sind, dass die Flächenkoppeleffizienz und die Winkelkoppeleffizienz zwischen einer vorgegebenen LED mit planem LED-Chip und dem Faserbündel maximal sind.

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.
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.
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 DE 10 2007 027 615 A1 und in vielen anderen Anwendungen gezeigt wird. Die bisher hierzu vielfältigen Ausführungen von Linsensystemen in Patentschriften und in Veröffentlichungen haben den entscheidenden Nachteil, dass Optiksysteme aus mehreren Linsen (z. B. Kollimatorsysteme) aufgebaut werden müssen. Die Linsensysteme sind zudem sehr groß und teuer. Die Durchmesser dieser Linsensysteme sind bei Übertragung der meist großen Abstrahlwinkel der LED meist viel größer als die LED und die Faserbündel selbst. Um die optischen Übertragungswege dieser Optiken klein zu halten und den notwendigen Bauraum zu minimieren, müssen die eingesetzten Linsen sehr kurzbrennweitig sein. Teilweise müssen Asphären eingesetzt werden um die erforderliche Winkeltransformation für eine Einkopplung in Faserbündel zu realisieren. Aufgrund der mehreren eingesetzten Linsen geht ein Teil des emittierten Lichtes der LED durch Reflexion und Streuung an den Linsenflächen verloren, was besonders nachteilig ist.
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 US 2006/0044820 A1 , in welcher einige der sehr speziellen Strahlführungs-Bauelemente beschrieben sind. Nachteilig bei diesen Elementen sind deren Abmessungen, da aufgrund der erforderlichen Raumwinkel diese Elemente im Durchmesser mehrfach größer als die LED selbst sind. Nachteilig ist hier auch der sehr hohe Preis für diese präzisionsgedrehten Teile bei kleinen Stückzahlen. Für neu zu entwickelnde Endoskope ist eine Anpassung dieser Elemente meist nur durch eine Neuberechnung und individuelle Anfertigung möglich. Das trifft ebenso auf die zu verwendenden LED zu. Für jeden LED-Typ muss ein spezielles Element berechnet und hergestellt werden.
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.
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 US 7229201 B2 ausführlich beschrieben wurde (sog. Stoßkopplung). Hier wurden bisher gegenüber allen anderen bekannten Verfahren die besten Einkoppelergebnisse erzielt. Der Nachteil dieser Stoßkopplung besteht darin, dass die kommerziell erhältlichen Faserbündel-Durchmesser oder auch die in den Endoskopen zur Anwendung kommenden Faserbündel-Durchmesser nicht an alle gängigen LED-Chipgrößen angepasst sind bzw. nicht angepasst werden können. In der beschriebenen US-Patentschrift sind die dargestellten Faserbündel kleiner als der eigentliche LED-Chip dargestellt, was generell zu Verlusten in den Ecken führt (Inkreis). Da die LED-Chips in der Regel quadratisch oder rechteckig sind, ist es zur vollen Lichtübertragung notwendig, bei einer Stoßkopplung Faserbündel-Durchmesser zu verwenden, die größer sind als die LED-Chipfläche (Umkreis). Damit verbunden wäre bei vielen LED eine Verletzungsgefahr für die Bonddrähte.
Auch in der US 2003/0219207 A1 wird ein auf die LED-Chipfläche aufgesetztes Faserbündel beschrieben, welches aufgrund der Bonddrähte kleiner sein muss als die gesamte Chipfläche. In dieser Patentschrift wird auch abweichend von allen bekannten realisierten LED, eine konkave LED-Chipfläche beansprucht, was besonders nachteilig ist.
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 US 2009/0040783 A1 beschrieben wird. Auch das Entfernen der Linsen oder das Abschleifen von vorhandenen Linsen auf LED-Bauelementen sind in diesen Veröffentlichungen beansprucht. Der Nachteil einer Kopplung von Faserbündeln auf Linsenkuppen von LED oder auf gefensterte LED-Chips besteht darin, dass, je weiter entfernt vom LED-Chip das Empfangs-Faserbündel angeordnet wird, aufgrund der Strahldivergenz der von der LED emittierten Strahlen die Fläche des Strahlenquerschnittes größer wird. Damit müssten zur möglichst effektiven Übertragung der in den Raumwinkel emittierten Strahlung die Durchmesser der Faseroptikbündel mit zunehmendem Abstand vom Chip größer gewählt werden, was in der Regel nicht immer möglich ist. Es ist zu sehen, dass Verfahren der Stoßkopplung und der Kopplung auf Linsen aufgrund schlechter flächenmäßiger Anpassung eine nicht ausreichende Koppeleffizienz bringen können und nicht für alle, z. B. in einem Endoskop eingebauten, Faserbündel geeignet sind. Muss die vorhandene Linse oder das Fenster von einem LED-Chip entfernt werden, kann das zur Verletzung der empfindlichen Konversionsschicht führen. Auch das Aufsetzen des Faserbündels direkt auf die Konversionsschicht kann zu Verletzungen der Konversionsschicht führen.
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.
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 US 2009/0122573 A1 beschrieben, wird der Faserkegel zur Aperturwandlung und Größenanpassung genutzt, indem er mit seinem kleinen Durchmesser auf den LED-Chip aufgesetzt wird und der große Durchmesser des Faserkegels in Kontakt mit dem zu nutzenden Faserbündel kommt. Die Nachteile hierbei sind ebenfalls die Anpassung der Durchmesser der kleinen Seite des Faserkegels an den LED-Chip, der ja als Umkreis um den LED-Chip ausgeführt werden muss um möglichst viele Strahlen aufzunehmen, wobei dann evtl. Bonddrähte beschädigt werden können. Bei Einsatz eines Faserkegels ist die Frage des Aspektverhältnisses, also des Quotienten aus kleinem Faserdurchmesser zu großem Faserdurchmesser entscheidend. Durch dieses Aspektverhältnis, durch die Notwendigkeit der Anpassung an die Fläche der LED (Umkreis) und der Anpassung an das weiterführende Faserbündel sind der Anwendung eines Faserkegels Grenzen gesetzt.
Das Dokument US 2003/0219207 A1 betrifft ein Faserbeleuchtungssystem mit einer Festkörperlichtquelle, beispielsweise einer LED, einem Lichtleiter, beispielsweise einem Glasfaser und einer Kopplungsanordnung.
Das Dokument US 2006/0008205 A1 betrifft ein optisches Kopplungssystem zur Kopplung eines Wellenleiters an einer Lichtquelle.
Das Dokument DE 3028597 C2 betrifft ein optisches Beleuchtungssystem für ein Endoskop mit einem Faserlichtleiter.
Das Dokument US 4,818,263 A1 betrifft ein Beleuchtungssystem mit einer Mikrolinse und einer optischen Glasfaseranordnung.
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.
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.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, 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.
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

Die Erfindung wird im Folgenden anhand folgender Abbildungen erläutert.
Bild 1: Strahlverlauf eines Einzelstrahles an einer Faser
Bild 2: Strahlverlauf eines Einzelstrahles an einer schräg geschliffenen Faser
Bild 3: Akzeptanzstrahlenkegel an einer schräg geschliffenen Faser
Bild 4: Eine direkte Ankopplung eines Lichtleitkabels an eine handelsübliche LED nach dem Stand der Technik
Bild 5: Eine Ankopplung eines Lichtleitkabels an eine handelsübliche LED mittels einem Faserkegel nach dem Stand der Technik
Bild 6: Eine Ankopplung eines Lichtleitkabels an eine handelsübliche LED mittels eines Faserkegels mit bester Winkelkonversion nach dem Stand der Technik
Bild 7: Eine Ankopplung eines Lichtleitkabels an eine handelsübliche LED mittels eines Faserkegels mit einer als Pyramidenstumpf angeschliffenen Oberflächenform und optimiertem Aspektverhältnis nach dem Erfindungsgedanken
Bild 8: Ein Faserkegel mit einer sphärisch konvexen Oberflächenform gemäß dem Erfindungsgedanken
Bild 9: Einen Faserkegel mit einer pyramidenstumpfförmigen Oberflächenform gemäß dem Erfindungsgedanken
Bild 10: Einen Faserkegel mit einer facettenförmig angeschliffenen Oberflächenform gemäß dem Erfindungsgedanken
Bild 11: Einen Faserkegel mit einer quadratisch angepassten und sphärisch geschliffenen Oberflächenform gemäß dem Erfindungsgedanken
Bezugszeichenliste

1: eine Einzelfaser
2: Akzeptanzwinkel der Faser
3: Lot auf die Eintrittsfläche der Faser
4: Bereich der Erfassung der emittierten Strahlen
5: Erfassungswinkel β'
6: LED-Chip
7: Schrägschliffwinkel
8: Verschwenkungswinkel
9: Hochleistungs-LED
10: Lichtleitbündel
11: Faserkegel 1
12: Faserkegel 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.
Betrachtet man einen einzelnen Strahl (Bild 1), der aus Luft in eine Stufenindexfaser eintritt, so ist der Winkel dieses Strahles durch den Akzeptanzwinkel (2) der Faser begrenzt, der sich aus der numerischen Apertur der Faser ergibt: NA = sinα
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·D₁ = α₂·D₂

α₁: = halber Eintrittswinkel (an der LED)
α₂: = halber Austrittswinkel (Faserbündel)
D₁: = Eintrittsdurchmesser (an der LED)
D₂: = Austrittsdurchmesser (Faserbündel)

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.
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.
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.
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 (8) entsprechend einem sich aus den Strahlenberechnungen ergebenden Winkel (7) entgegen dem Lot auf die Eintrittsfläche (3) verschwenkt wird. Bezogen auf die Achse der Faser ergibt sich aber nunmehr für den Winkelerfassungsbereich (5) ein neuer, höherer einseitiger Winkel β' (5) für einen noch in die Faser einzukoppelnden Strahl. Durch die Verschwenkung des Akzeptanzstrahlenkegels wird auch der Bereich der Erfassung der emittierten Strahlen (4) größer (siehe gegenüber Bild 1).
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)
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°. 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)
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.
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.
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.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Hochleistungs-LED (9) vom Typ „Phlatlight” der Firma Luminus als Beispiel benutzt. Die LED hat als emittierende Fläche einen LED-Chip mit einer Kantenlänge von 3 mm × 3 mm. Die LED ist mit einem Fenster versehen, gemäß technischer Unterlagen ist somit das Strahlenbündel erst in einem Abstand von 0,6 mm vom Chip koppelbar. Laut technischen Angaben emittiert die LED in einen Raumwinkel von rund 140°.
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.
Im Bild 4 wird zunächst gezeigt, wie gemäß einem Stand der Technik das eine Ende (Stecker) des Lichtleitkabels (10) direkt auf das Fenster gesetzt wird. In diesem Fall werden von der LED (9) emittierte Strahlen im Bereich des Akzeptanzwinkels von 60° erfasst und es entsteht ein Einkoppelverlust aufgrund des Winkels von größer 50%. Durch den großen Durchmesser des Lichtleitkabels (10) gehen ebenfalls mehr als 30% Strahlenanteile verloren, da der Durchmesser mit 4,8 mm größer ist als die Diagonale des Chips von 4,2 mm und der LED-Chip. Im Bild 5 wird nunmehr ebenfalls gemäß einem Stand der Technik ein Faserkegel (11) zwischen LED (9) und Lichtleitkabel (10) gesetzt. Die Fasern des Faserkegels (11) sollen einen Akzeptanzwinkel von 80° haben.
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:
1. Raumwinkelanpassung (siehe Tabelle 1, Fall 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.
2. Anpassung mit Faserkegel mit rundem Faserbündel (siehe Tabelle 1, Fall 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°. 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. 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.
3. Anpassung mit einem erfindungsgemäßen Faserkegel mit einer quadratischen kleinen und einer runden großen Fläche des Faserbündels (Tabelle 1, Fall 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.
4. Anpassung mit einem erfindungsgemäßen Faserkegel mit einem runden Faserbündel und einer angeschliffenen runden Eingangsfläche (Tabelle 1, Fall 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.
5. Anpassung mit einem erfindungsgemäßen Faserkegel mit einem angeschliffenen quadratischen kleinen Eingangsfaserbündel und einem runden Ausgangsbündel (Tabelle 1, Fall 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.
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.
Das Bild 7 zeigt eine der erfindungsgemäßen Kopplungen der Hochleistungs-LED (9) an den Faserkegel (12). Hier wird die mit der LED (9) in Kontakt stehende Koppelfläche (13) des Faserkegels (12) nicht plan geschliffen, sondern in diesem Beispiel in Form eines Pyramidenstumpfes. Durch die Verschwenkung der Akzeptanzkegel im Bereich der Pyramidenseiten kann der kleine Durchmesser des Faserkegels größer gewählt werden, als es das erforderliche Aspektverhältnis für eine vollständige Flächenkonvertierung zulässt. Z. B. wird hier nunmehr ein Durchmesser von 4,1 mm auf das LED-Fenster gekoppelt und ein Durchmesser von 4,8 mm auf das Lichtleitbündel. Damit ist das Aspektverhältnis etwa 0,86. Es wird durch das größere Aspektverhältnis durch den Faserkegel nur ein Winkelbereich der LED von 70° konvertiert werden. Die Fläche des erfassten Bereiches ist jedoch gegenüber dem vorherigen Faserkegel im Bild 6 100% der Chipfläche. Etwa 45% der Koppelfläche ragen über die quadratische Emissionsfläche hinaus und bilden Randsegmente, die nur teilweise bestrahlt werden. In diesen Randsegmenten werden nun aufgrund des pyramidenstumpfartigen Anschliffes der Koppelfläche (13) die Akzeptanzwinkel in Richtung auf den LED-Chip verschwenkt und es werden zusätzliche Strahlungsanteile erfasst, die an der anderen Koppelstelle des Faserkegels in das Lichtleitkabel gekoppelt werden. 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.
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.
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.

Claims

Faserbündel zur Verwendung in der Endoskopie unter Verwendung handelsüblicher LED mit einer planen LED-Chipfläche, zur Kopplung des von der LED in den Raum emittierten Lichtes in eine Einkoppelfläche des Faserbündels dadurch gekennzeichnet, dass das Faserbündel eine in Abhängigkeit von den geometrischen Formen und Größen des LED-Chips und der Einkoppelfläche des Faserbündels errechnete 3-dimensionale Oberflächenform an der der LED zugeordneten Einkoppelfläche aufweist, dass die Einkoppelfläche des Faserbündels am Rand der planen LED-Chipfläche einen größeren Abstand senkrecht zur planen LED-Chipfläche hat als in deren Mitte, und dass die in den von der planen LED-Chipfläche beabstandeten Bereichen der Einkoppelfläche endenden Fasern des Faserbündels an ihrer Faserendfläche mit einem Anschliffwinkel derart schräg angeschliffen sind, dass die Flächenkoppeleffizienz und die Winkelkoppeleffizienz zwischen einer vorgegebenen LED mit planem LED-Chip und dem Faserbündel maximal sind.
Faserbündel gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Faserbündel einen Faserkegel bildet.
Faserbündel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserkegel als ein getapertes flexibles Faserkabel üblicher Länge, im Bereich von 10 mm bis 5 m ausgeführt ist.
Faserbündel nach Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenform der Einkoppelfläche des Faserkegels als Kegelstumpf angeschliffen ist.
Faserbündel nach Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenform der Einkoppelfläche des Faserkegels als Pyramide angeschliffen ist.
Faserbündel nach Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenform der Einkoppelfläche des Faserkegels facettenartig angeschliffen ist.
Faserbündel nach Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenform der Einkoppelfläche des Faserkegels sphärisch konvex angeschliffen ist.
Faserbündel nach Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenform der Einkoppelfläche des Faserkegels asphärisch konvex angeschliffen ist.
Faserbündel nach Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenform der Einkoppelfläche des Faserkegels nach errechneter maximaler Strahleinkopplung in einer Freiform angeschliffen ist.
Faserbündel nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserkegel eine Stirnfläche mit kleinerem Durchmesser und eine Stirnfläche mit größerem Durchmesser aufweist und die Einkoppelfläche die Stirnfläche mit dem kleineren Durchmesser ist.
Faserbündel nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserkegel eine Stirnfläche mit kleinerem Durchmesser und eine Stirnfläche mit größerem Durchmesser aufweist und die Einkoppelfläche die Stirnfläche mit dem größeren Durchmesser ist.
Faserbündel nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Flächengeometrie der Einkoppelfläche des Faserkegels der Flächengeometrie der LED-Chipfläche der verwendeten LED und/oder des verwendeten Faserbündels, quadratisch oder rechteckig, angepasst ist.
Faserbündel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Randbereich der Einkoppelfläche eine Oberflächenform aufweist.
Faserbündel nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserkegel eine als Koppelfläche zur LED dienende Einkoppelfläche und eine Auskoppelfläche aufweist und sowohl die Einkoppelfläche als auch die Auskoppelfläche eine Oberflächenform aufweist.