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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von Licht mit hoher Lichtintensität, insbesondere eine Lichtquelle mit geregelter Temperaturkühlung.
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In vielen Anwendungen wird Licht mit hoher Lichtintensität benötigt. Beispielsweise können in industriellen Fertigungsanlagen Gegenstände, die sich beispielsweise auf einem Transportband befinden, durch eine Aufnahmekamera erfasst werden, die Aufnahmen von den sich auf dem Transportband befindlichen Gegenständen macht, um beispielsweise deren Position zu detektieren. Eine zugehörige Blitzlichtlampe erzeugt kurze Lichtblitze zur Beleuchtung der auf dem Transportband befindlichen Gegenstände, wobei die Aufnahmekamera synchron dazu die auf dem Transportband befindlichen Gegenstände fotografiert. Weitere Beispiele für Vorrichtungen, die eine Lichtquelle mit hoher Lichtintensität benötigen, sind spektrometrische Messanordnungen, die beispielsweise bei der Materialanalyse oder bei Schichtendickenmessungen eingesetzt werden. Aufgrund des immer höher werdenden Wirkungsgrades und der zunehmenden Lebensdauer setzen sich bei derartigen Beleuchtungs- und Inspektionssystemen zunehmend Beleuchtungen auf Basis von Licht-emittierenden Dioden durch. Insbesondere bei Blitzlampen und Lampen, die bei spektrometrischen Messanordnungen eingesetzt werden, werden zunehmend LED-Lichtquellen eingesetzt, da derartige Lichtquellen eine besonders lange Lebensdauer besitzen und energieeffizient arbeiten.
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Ein Nachteil derartiger herkömmlichen Lichtquellen besteht jedoch darin, dass die Licht-emittierenden Dioden bei sich verändernder Temperatur ein sich änderndes Spektrum des emittierten Lichtes erzeugen. Die hierfür in Spektrometern bisher benutzten herkömmlichen Weißlicht-LEDs, die beispielsweise auf Basis blauer oder ultrablauer Licht-emittierenden Dioden mit einer darauf aufgebrachten Fluoreszenzschicht beziehungsweise Konverterschicht aufgebaut sind, weisen ein inhomogenes Lichtspektrum auf, beispielsweise eine schmale Spitze beziehungsweise Peak im blauen Lichtbereich und einen breiteren und flacheren Peak beziehungsweise Spitze im roten Lichtbereich. Durch diese Inhomogenitäten in dem erzeugten Lichtspektrum wird das Signalrauschverhältnis der Spektrometer teilweise deutlich reduziert.
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Bei herkömmlichen Spektrometern wird teilweise zur Vermeidung von derartigen Inhomogenitäten das durch die Lichtquelle erzeugte Lichtspektrum durch zusätzliche spektrale Messeinrichtungen erfasst und gegebenenfalls ausgeglichen. Allerdings erfordert die Messung des Lichtspektrums einen erheblichen technischen Aufwand und benötigt zudem eine lange Messzeit. Weiterhin ändert sich das Spektrum eines von einer LED-Lichtquelle emittierten Lichtes mit der Temperatur der Licht-emittierenden Diode. Die Nachregelung des emittierten Lichtspektrums mittels einer spektralen Messeinheit durch Ändern der Temperatur ist somit sehr aufwändig und zudem langsam.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Licht mit hoher Lichtintensität zu schaffen, bei der Temperaturschwankungen mit geringem technischen Aufwand überwacht und ausgeglichen werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Licht mit hoher Lichtintensität mit mindestens einer Licht-emittierenden Diode, die Licht in Abhängigkeit eines eingespeisten elektrischen Stromes generiert, wobei die Licht-emittierende Diode durch mindestens ein regelbares elektrisches Kühlelement zur Steigerung der Lichtintensität und der Lebensdauer der Licht-emittierenden Diode auf eine bestimmte Temperatur gekühlt wird.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird somit die Licht-emittierende Diode mittels eines regelbaren elektrischen Kühlelements, welches an der Licht-emittierende Diode angebracht ist, hinsichtlich seiner Temperatur überwacht und nachgeregelt.
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Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist an der Licht-emittierende Diode ein Temperatursensor vorgesehen, welcher die Temperatur der Licht-emittierende Diode erfasst und an eine Steuerung meldet.
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Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das regelbare elektrische Kühlelement eine steuerbare Stromquelle auf, die für das Kühlelement einen elektrischen Strom liefert, dessen Stromstärke für die Steuerung in Abhängigkeit der Temperatur einstellbar ist, die von dem an der Licht-emittierenden Diode angebrachten Temperatursensor erfasst wird.
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Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind mehrere elektrische Kühlelemente kaskadiert auf einer Heatpipe beziehungsweise einem Wärmerohr angebracht.
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Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das regelbare elektrische Kühlelement zur Kühlung der Licht-emittierende Diode ein Peltierelement.
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Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung legt die Steuerung zur Erzeugung von gepulstem Licht einen gepulsten elektrischem Strom an die Licht-emittierende Diode an, wobei eine Amplitude und eine Pulsdauer der Stromimpulse des gepulsten Stromes in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur der Licht-emittierenden Diode einstellbar sind.
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Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist diese mindestens zwei verschiedene Licht-emittierende Dioden auf, die Licht mit unterschiedlichen Emissionsspektren generieren.
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Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird über der mindestens einen Licht-emittierenden Diode eine Konverterschicht zur Konvertierung des Emissionsspektrums der Licht-emittierenden Diode vorgesehen.
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Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ein Lichtmischer zur Einkopplung des durch die mindestens eine Licht-emittierende Diode generierten Lichtes in einen Lichtleiter vorgesehen.
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Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet sich die Vorrichtung in einer feuchtigkeitsisolierenden Kammer.
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Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung befindet sich diese in einer wärmeisolierenden Kammer, insbesondere in einer Vakuumkammer.
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Die Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Erzeugen von Licht mit hoher Lichtintensität mit den im Patentanspruch 13 angegebenen Merkmalen.
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Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Erzeugen von Licht mit hoher Lichtintensität durch eine Licht-emittierende Diode, wobei eine erfasste Temperatur der Licht-emittierenden Diode mittels mindestens eines auf der Licht-emittierenden Diode angebrachten elektrischen Kühlelementes auf eine Solltemperatur geregelt wird.
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Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zunächst in einem ersten Schritt die Temperatur der Licht-emittierenden Diode durch einen an der Licht-emittierenden Diode angebrachten Temperatursensor erfasst.
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Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in einem weiteren Schritt die Stromstärke einer Stromquelle, die einen elektrischen Strom an das elektrische Kühlelement abgibt, durch eine Steuerung in Abhängigkeit der erfassten Temperatur der Licht-emittierenden Diode eingestellt, bis die erfasste Temperatur der Licht-emittierenden Diode der Solltemperatur entspricht.
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Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Licht durch die Licht-emittierenden Diode in Abhängigkeit eines eingespeisten gepulsten elektrischen Stromes generiert, wobei eine Amplitude und eine Pulsdauer eines Stromimpulses des gepulsten elektrischen Stromes zusätzlich zur Temperaturregelung der Licht-emittierenden Diode durch die Steuerung eingestellt werden.
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Die Erfindung schafft ferner eine Blitzlichtlampe, insbesondere für eine spektrometrische Messanordnung, mit einer Vorrichtung zur Erzeugung von Licht mit hoher Lichtintensität, mit mindestens einer Licht-emittierenden Diode, die Licht in Abhängigkeit eines eingespeisten elektrischen Stromes generiert, wobei die Licht-emittierende Diode durch mindestens ein regelbares elektrisches Kühlelement zur Steigerung der Lichtintensität und Lebensdauer auf eine bestimmte Solltemperatur gekühlt wird.
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Hierzu weist die Blitzlichtlampe bei einer möglichen Ausführungsform eine integrierte Steuerung auf, die eine steuerbare Stromquelle, welche einen elektrischen Strom für das elektrische Kühlelement liefert in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur der Licht-emittierenden Diode steuert.
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Im Weiteren werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Diagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Licht mit hoher Lichtintensität;
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2A, 2B Diagramme zur Darstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Licht mit hoher Lichtintensität;
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3 ein einfaches Ablaufdiagramm zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erzeugung von Licht mit hoher Lichtintensität.
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Wie man aus 1 erkennen kann, weist eine Vorrichtung 1 zur Erzeugung von Licht mit hoher Lichtintensität gemäß der dargestellten Ausführungsform der Erfindung mindestens eine Licht-emittierende Diode 2 auf, an die über Kontaktierungsbonds 3, 4 eine elektrische Spannung angelegt wird. Die Licht-emittierende Diode 2 generiert Licht in Abhängigkeit eines über die Anschlusskontakte 3, 4 eingespeisten elektrischen Stromes I. Die Anschlusskontakte 3, 4 bestehen aus einem leitenden Metall, beispielsweise Gold. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist an die Licht-emittierende Diode 2 beispielsweise an deren unteren Anschlusskontakt 4 ein Temperatursensor 5 vorgesehen, welcher die Temperatur T der Licht-emittierende Diode 2 erfasst und an eine Steuerung 6 meldet. Wie in 1 dargestellt, befindet sich unterhalb der Licht-emittierende Diode 2 ein erstes elektrisches Kühlelement 7-1, welches seinerseits über einem zweiten elektrischen Kühlelement 7-2 angeordnet ist. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform sind die beiden elektrischen Kühlelemente 7-1, 7-2 kaskadiert auf einer Heatpipe beziehungsweise einem Wärmerohr angebracht. Die beiden elektrischen Kühlelemente 7-1, 7-2 werden bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils durch eine Stromquelle 9-1, 9-2 mit elektrischem Strom versorgt. Die beiden steuerbaren Stromquellen 9-1, 9-2 sind über Steuerleitungen 10-1, 10-2 durch die integrierte Steuerung 6 ansteuerbar. Die beiden elektrischen Kühlelemente 7-1, 7-2 sind vorzugsweise Peltierelemente. Die Peltierelemente 7-1, 7-2 sind elektrische Bauelemente, bei denen ein Stromfluss eine Temperaturdifferenz erzeugt. Die Entstehung der Temperaturdifferenz basiert auf dem sogenannten Peltier-Effekt. Das Peltierelement 7-1, 7-2 besteht jeweils aus mindestens zwei verschiedenen elektrisch leitfähigen Materialien.
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Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an zwei aus unterschiedlich elektrisch leitenden Materialien bestehenden Leitern beziehungsweise Drähten fließt ein Strom der Wärme von einer Verbindungsstelle zu einer anderen Verbindungsstelle transportiert. Dadurch wird eine der beiden Verbindungsstellen gekühlt, während die andere erwärmt wird.
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Durch den Kontakt von zwei Halbleitern, die ein unterschiedliches Energieniveau der Leitungsbänder besitzen, kann ebenfalls ein Peltierelement aufgebaut sein. Durch die Einleitung des elektrischen Stroms durch zwei hintereinander liegende Kontaktstellen dieser beiden Halbleitermaterialien wird an einer Kontaktstelle Wärmeenergie aufgenommen, wobei Elektronen in ein energetisch höheres Leitungsband des benachbarten Halbleitermaterials gelangt, sodass es hier zu einer thermischen Abkühlung kommt. Bei der anderen Kontaktstelle fallen diese Elektronen von einem höheren auf ein niedrigeres Energieniveau, sodass hier Energie in Form von Wärme abgegeben wird. Die beiden elektrischen Peltierelemente 7-1, 7-2 befinden sich bei der in 1 dargestellten Ausführungsform zusätzlich auf einer Heatpipe beziehungsweise einem Wärmerohr 8. Bei dem Wärmerohr 8 handelt es sich um einen Wärmeübertrager, der unter Nutzung von Verdampfungswärme eines Stoffes eine hohe Wärmestromdichte erlaubt, d. h. auf einer kleinen Querschnittsfläche können auf diese Weise große Mengen an Wärme transportiert werden. Durch die Umwälzung des Transportmediums benötigt das Wärmerohr 7 keine zusätzliche Hilfsenergie.
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Die beiden regelbaren elektrischen Kühlelemente 7-1, 7-2, bei denen es sich beispielsweise um Peltierelemente handelt, weisen jeweils eine steuerbare Stromquelle 9-1, 9-2 auf, die einen elektrischen Strom für das jeweilige elektrische Kühlelement 7-1, 7-2 liefert. Dabei wird die Stromstärke des Stromes durch die interne Steuerung 6 in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur T der Licht-emittierende Diode 2 eingestellt. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform sind zwei regelbare Kühlelemente 7-1, 7-2 übereinander kaskadiert angeordnet beziehungsweise gestapelt. Bei einer alternativen Ausführungsform kann die Anzahl der elektrischen Kühlelemente 7-1, 7-2 höher sein, beispielsweise drei oder mehr Kühlelemente. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform ist lediglich ein einziges elektrisches Kühlelement 7-1 vorgesehen.
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Wie in 1 dargestellt, dient die Steuerung 6 neben der Ansteuerung der beiden einstellbaren Stromquellen 9-1, 9-2 zusätzlich zur Erzeugung eines gepulsten elektrischen Stromes, der über die beiden Kontakte 3, 4 an die Licht-emittierende Diode 2 zur Erzeugung von Licht angelegt wird. Dazu weist die Steuerung 6 vorzugsweise einen internen Signalgenerator beziehungsweise Stromgenerator zur Erzeugung des gepulsten elektrischen Stromes I auf.
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Bei einer möglichen Ausführungsform wird dabei die Amplitude und die Pulsdauer eines Stromimpulses des gepulsten Stromes I in Abhängigkeit von der erfassten Temperatur T der Licht-emittierende Diode 2 eingestellt. Durch den gepulsten elektrischen Strom I, das heißt durch dessen Stromimpulse, werden in der Licht-emittierende Diode 2 Lichtblitze generiert. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform ist über der Licht-emittierenden Diode 2 eine Konverterschicht 11 vorgesehen, die zur Konvertierung des Emissionsspektrums des von der LED 2 emittierten Lichtes dient. Hierdurch kann das emittierte Lichtspektrum für den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden.
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Die Vorrichtung 1, wie sie in 1 dargestellt ist, enthält ferner einen Lichtmischer 12, beispielsweise ein so genanntes Prisma, zur Einkopplung des durch die Licht-emittierende Diode 2 generierten Lichtes in einen Lichtwellenleiter 13. Das eingekoppelte Licht wird durch den Lichtwellenlefiter 13 beispielsweise die Glasfaser 13 beziehungsweise an eine spektroskopische Messanordnung übertragen.
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Die in 1 dargestellte Anordnung kann sich bei einer möglichen Ausführungsform innerhalb einer feuchtigkeitsisolierenden und wärmeisolierenden Kammer befinden. Bei einer möglichen Ausführungsform befindet sich die Anordnung in einer Vakuumkammer.
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Weiterhin kann im Bereich der Glasfaser 13 in der vorliegenden Ausführungsform eine Spektralmesseinheit zur Erfassung eines Spektrums des in den Lichtwellenleiter 13 eingekoppelten Lichtes vorgesehen sein.
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Die interne Steuerung 6 steuert die Kühlung der Licht-emittierende Diode 2 einerseits durch Einstellung der beiden einstellbaren Gleichstromquellen 9-1, 9-2 in Abhängigkeit der sensorisch erfassten Temperatur T der Licht-emittierende Diode 2 und steuert bei einer möglichen Ausführungsform zusätzlich die Temperatur T der Licht-emittierende Diode 2 durch Einstellung der Amplitude und der Pulsdauer eines Stromimpulses des an die Licht-emittierende Diode 2 angelegten gepulsten elektrischen Stromes I.
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2A, 2B dienen zur Darstellung eines weiteren möglichen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Bei dieser in 2A, 2B dargestellten Ausführungsform weist die Vorrichtung 1 nicht nur eine Licht-emittierende Diode 2, sondern mehrere Licht-emittierende Dioden 2A, 2B, 2C, 2D auf.
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Die verschiedenen Licht-emittierenden Dioden 2 generieren vorzugsweise Licht mit unterschiedlichen Emissionsspektren. Beispielsweise handelt es sich bei den verschiedenen Licht-emittierenden Dioden um blaue, rote, grüne oder sonstige Licht-emittierenden Dioden.
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2B zeigt eine Seitenansicht beziehungsweise Schnittansicht. Wie man aus 2B erkennen kann, befindet sich über den Licht-emittierenden Dioden 2 ein Lichtmischer 12 zum Einkoppeln des Lichtes in den Lichtwellenleiter 13. Die beiden in 2B dargestellten Licht-emittierenden Dioden 2A, 2B können sich, wie in 2B dargestellt, auf einem gemeinsamen Kühlelement 7-1 befinden oder jeweils über einen eigenen Stapel von Kühlelementen 7-i verfügen.
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Weiterhin ist es möglich, dass sich zwischen den Licht-emittierenden Dioden 2 und dem Lichtmischer 12 eine Konverterschicht zur Konvertierung der Emissionsspektren der verschiedenen Licht-emittierenden Dioden 2 befindet. Durch die Nutzung der elektrischen Kühlelemente 7-1 werden die LED-Chips beziehungsweise Licht-emittierenden Dioden 2 auf eine vorbestimmte definierte Temperatur TSoll gekühlt, wobei die Temperatur T überwacht und nachgeregelt wird. Zur Vermeidung von Vereisungen können die LED-Chips 2 beziehungsweise Licht-emittierenden Dioden 2-i sowie deren Kühlvorrichtungen beziehungsweise Kühlelemente durch eine temperaturisolierende Ummantelung gegenüber der Umwelt abgeschlossen sein. Hierdurch wird zugleich eine bessere Kühlwirkung auf die LED-Chips 2 beziehungsweise Licht-emittierenden Dioden 2 sowie eine erhöhte Energieeffizienz erreicht.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines möglichen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Erzeugen von Licht mit hoher Lichtintensität durch eine Licht-emittierende Diode 2.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine erfasste Temperatur T der Licht-emittierenden Diode 2 mittels eines an der Licht-emittierenden Diode 2 angelegten elektrischen Kühlelementes auf eine Solltemperatur geregelt.
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Wie man aus 3 erkennen kann, wird bei einer möglichen Ausführungsform zunächst in einem Schritt S1 eine Temperatur T der Licht-emittierenden Diode 2 durch einen an der Licht-emittierenden Diode 2 angebrachten Temperatursensor, beispielsweise den in 1 dargestellten Temperatursensor 5, erfasst.
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In einem weiteren Schritt S2 wird die erfasste Temperatur T mit einer Solltemperatur TSoll verglichen. Ist die erfasste Temperatur T der Licht-emittierenden Diode 2 über der einstellbaren Solltemperatur TSoll, führt dies in einem Schritt S3 zur Kühlung der Licht-emittierenden Diode 2. Dabei wird bei einer möglichen Ausführungsform eine Stromstärke einer Stromquelle, beispielsweise einer Stromquelle 9-1, 9-2, die einen elektrischen Strom für das an der Licht-emittierenden Diode 2 angebrachte elektrische Kühlelement 7-i liefert, durch eine Steuerung eingestellt. Das Einstellen der Stromstärke kann dabei vorzugsweise in Abhängigkeit der erfassten Temperatur T der Licht-emittierenden Diode 2 erfolgen, bis die erfasste Temperatur T der Licht-emittierenden Diode 2 der Solltemperatur TSoll entspricht.
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Bei einer weiterhin möglichen Ausführungsform wird durch eine Steuerung, beispielsweise die in 1 dargestellte Steuerung 6, im Schritt 3 die Amplitude und die Pulsdauer eines Stromimpulses des gepulsten elektrischen Stromes, welcher an die Licht-emittierende Diode 2 über die Kontakte 3, 4 angelegt wird, zusätzlich zur Temperaturregelung der Temperatur I eingestellt.
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Zur Absenkung der Temperatur T wird beispielsweise die Pulsdauer zwischen den Stromimpulsen erhöht und die Amplitude der Stromimpulse verringert. Mit abnehmender Temperatur T wird die Lichtmenge beziehungsweise die Lichtintensität des von der Licht-emittierenden Diode 2 generierten Lichtes erhöht. Weiterhin wird durch die Absenkung der Temperatur T eine Erhöhung der Lebensdauer der Licht-emittierenden Diode 2 erreicht. Insgesamt wird der Wirkungsgrad der Licht-emittierenden Diode 2 erhöht, wobei mehr Licht pro Fläche generiert wird.
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Daher eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere für Hochleistungsblitzlichtlampen, die Lichtblitze generieren.
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Derartige Blitzlichtlampen, die die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 beinhalten, können beispielsweise in der industriellen Fertigung zur Positionsbestimmung von Gegenständen beziehungsweise Geräten, die durch eine Aufnahmekamera erfasst werden, verwendet werden.
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Weitere mögliche Anwendungsbeispiele sind spektrometrische Messanordnungen, die ein derartiges Licht mit hoher Lichtintensität zur Durchführung von Materialanalysen oder Schichtdickemessungen benötigen. Weitere Anwendungsbeispiele sind beispielsweise Anordnungen zur Zellanalyse und der medizinischen Diagnostik.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 eignet sich insbesondere als Punktlichtquelle. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 besteht darin, dass das Spektrum der Lichtquelle für den jeweiligen Anwendungsfall durch Ansteuerung unterschiedlicher Licht-emittierender Dioden 2 in einfacher Weise einstellbar beziehungsweise regelbar ist. In dieser Weise kann ein breitbandiges und homogenes Lichtspektrum durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 bereitgestellt werden.
