DE102007028075A1

DE102007028075A1 - LED-Lichtquelle und Verfahren zum Ansteuern und Stabilisieren einer LED-Lichtquelle

Info

Publication number: DE102007028075A1
Application number: DE102007028075A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Dr. Buschmann; Matthias Dr. Dämmig; Marion Lingenauer; Manfred Neddens
Original assignee: ZETT OPTICS GmbH
Current assignee: ZETT OPTICS GmbH
Priority date: 2007-06-15
Filing date: 2007-06-15
Publication date: 2009-01-15
Anticipated expiration: 2027-06-16
Also published as: DE102007028075B4

Abstract

Bei einer LED-Lichtquelle mit einer Mehrzahl von LEDs (3, 35, 54, 61) wird Licht einer hohen Intensität bei gleichzeitiger Beherrschung der auftretenden Probleme der Farbmischung und Wärmeableitung von den LED-Chips bereitgestellt, wenn die LED-Lichtquelle (1) einen Kühlkörper (2) aufweist, auf dem die LEDs (3, 35, 54, 61) in einem Array angeordnet sind, die LED-Lichtquelle (1) ein Multiport-Faserbündel (4) aufweist, das einen Eingangsbereich (23) mit einer Mehrzahl einzelner Faserarme (20) und einen Ausgangsbereich (24) mit einer einzelnen Faser (25) aufweist, die Faserarme (20) vom Eingangsbereich (23) zum Ausgangsbereich (24) hin zusammengeführt sind und jede LED (3, 35, 54, 61) optisch an einen der Faserarme (20) gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine LED-Lichtquelle mit einer Mehrzahl von LEDs (LED: Light Emitting Diode).
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Ansteuern und Stabilisieren einer LED-Lichtquelle mit einer Mehrzahl von LEDs.
Es ist bekannt, Licht einer LED an einem Ende eines Lichtwellenleiters (optische Faser oder Faser) einzukoppeln, das Licht mittels Brechung oder Totalreflexion durch den Lichtwellenleiter zu übertragen und an einem anderen Ende auszukoppeln. Das ausgekoppelte Licht wird beispielsweise zum Beleuchten einer Probe verwendet. Anwendungen der Übertragung von Licht durch eine Faser sind aus der Medizintechnik, der Mikroskopie sowie zahlreichen anderen industriellen Anwendungen bekannt. In einer Reihe von Anwendungen sind Farbmerkmale des Lichts (Farbort, Farbtemperatur, Farbwiedergabeindizes oder ähnliche) in ganz bestimmter Weise von der Lichtquelle zu realisieren. Im Falle LED-basierter Lichtquellen geschieht dies durch Mischung von Licht unterschiedlicher LEDs mit oder ohne Zuhilfenahme zusätzlicher Filter.
Das Einkoppeln des Lichts einer einzelnen LED in die Faser erfolgt dabei entweder über abbildende Optiken über eine räumliche Distanz vom LED-Chip zur Faserstirnfläche hin oder aber durch direktes Aufsetzen der Faser auf einen LED-Chip bzw. das Gehäuse des LED-Chips. Die Faser wird auf den LED-Chip geklebt oder unverklebt positioniert. Gegebenenfalls wird zwischen die Faserstirnfläche, in die das Licht eingekoppelt wird (Eingang der Faser) und dem LED-Chip eine Koppelsubstanz gebracht. Bei der Koppelsubstanz kann es sich beispielsweise um ein so genanntes Indexmatching-Öl handeln, das für eine Brechungsindexanpassung eingesetzt wird.
Der Ansatz über abbildende Optiken ist aufgrund fundamentaler optischer Abbildungsgesetze wenig geeignet, wenn die Querschnittsfläche der lichtemittierenden Fläche (LED-Chip) groß gegen den Faserquerschnitt ist. Hier wird stets nur ein geringer Teil des von der Fläche emittierten Lichts wirksam eingekoppelt, so dass sich herausstellt, dass in diesem Fall in der Regel das direkte Aufsetzen der Faser auf den LED-Chip bessere Koppelresultate erzielt.
Für die Einkopplung mehrerer LEDs verschärft sich die Problematik der „klassischen" abbildenden Optik, da nicht nur die Einkoppeleffizient, sondern auch die Farbmischung verschiedenfarbiger LEDs und das Wärmemanagement der LEDs (Abfuhr der elektrischen Verlustleistung, die heute noch bei über 60% der aufgenommenen Leistung liegt) Probleme bereitet.
Dies liegt vor allem daran, dass als LED-Lichtquellen verwendete LEDs sehr dicht beieinander angeordnet werden müssen, um eine ausreichende Fokussierung auf den Eingang der Faser zu erzielen. Eine dichte Anordnung der LEDs hat jedoch den Nachteil, dass die von den LEDs abgegebene Wärme nicht in einem ausreichenden Maße abgeführt werden kann.
Damit LEDs klassische Lichtquellen, wie zum Beispiel leistungsstarke Halogenlampen in Bereichen von 50 Watt und mehr elektrischer Leistung ersetzen können, müs sen viele LEDs auf engem Raum angeordnet und stabil über längere Zeiträume betrieben werden. Dies ist derzeit nicht möglich, obwohl ein großer Bedarf daran besteht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine LED-Lichtquelle der Eingangs erwähnten Art so zu verbessern, dass Licht einer hohen Intensität bereitgestellt wird, bei gleichzeitiger Beherrschung der auftretenden Probleme der Farbmischung und Wärmeableitung von den LED-Chips.
Die Aufgabe wird mit einer Eingangs erwähnten LED-Lichtquelle erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die LED-Lichtquelle einen Kühlkörper aufweist, auf dem die LEDs in einem Array angeordnet sind, dass die LED-Lichtquelle ein Multiport-Faserbündel aufweist, dass einen Eingangsbereich mit einer Mehrzahl einzelner Faserarme und einen Ausgangsbereich mit einer einzelnen Faser aufweist, dass die Faserarme vom Eingangsbereich zum Ausgangsbereich zusammengeführt sind und dass jede LED optisch an einem der Faserarme gekoppelt ist.
Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht eine hohe Einkoppeleffizienz, die Einstellung beliebiger Mischungsverhältnisse zwischen den LEDs (Farbwahl) und eine deutlich verbesserte Kühlung der LEDs. Die LEDs werden auf dem Kühlkörper räumlich voneinander getrennt angeordnet. Die Einkopplung des von den LEDs emittierten Lichts in die Multiport-Faser wird durch die Elastizität der Faserarme und einer Anpassung der Faserarmlängen ermöglicht. Die räumliche Separation der LEDs ermöglicht eine im Rahmen der Faserlänge und -elastizität beliebige räumliche Anordnung der LEDs, die so auf die Erfordernisse der Kühlung optimal abgestimmt werden kann.
Bekannte Anordnungen, bei denen das Licht der einzelnen LED-Lichtquellen durch Fokussieroptiken auf den Eingang einer Faser abgebildet wird, nutzen für die Kühlung nur eine Raumdimension. Diese Raumdimension liegt in Richtung der dem Lichtstrahl abgewandten Seite. In den Richtungen senkrecht zur optischen Achse können die LEDs nur geringfügig separiert werden, da sonst die Geometrie der Abbildung keine hohen Einkoppelwirkungsgrade mehr erlaubt. Dagegen stehen bei der erfindungsgemäßen Anordnung zusätzlich zwei weitere Raumdimensionen in der Ebene der LEDs für die Wärmeabfuhr zur Verfügung. Damit erfolgt die Kühlung der erfindungsgemäßen LED-Lichtquelle viel effizienter als bei herkömmlichen LED-Lichtquellen. Dies erlaubt die Verwendung einer höheren Anzahl von LEDs und somit eine höhere Intensität des in die Faser einkoppelbaren Lichts.
Die erfindungsgemäße Anordnung stellt somit eine LED-Lichtquelle hoher Intensität bei gleichzeitig guter Wärmeabfuhr bereit. Die erfindungsgemäße LED-Lichtquelle löst damit ein für viele wichtige Anwendungen, insbesondere in der Labor- und Medizintechnik sowie bei industriellen Beleuchtungsaufgaben (Produktionsüberwachung, Qualitätskontrolle) bedeutsames Problem.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen LED-Lichtquelle sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Eine einfache Kopplung zwischen einer LED und einem Faserarm gelingt dadurch, dass die LED und der Faserarm auf Stoß angeordnet sind. Dabei wird die Stirnfläche des Faserarms (Eingang) auf Stoß auf den LED-Chip oder ein den LED-Chip schützendes Gehäuse gesetzt. Diese „Stoßkopplung" lässt sich besonders einfach realisieren, wenn der Eingang des Faserarms und die Fläche, auf der der Eingang auf den LED-Chip bzw. das LED-Gehäuse gesetzt wird, jeweils als Planfläche ausgebildet sind.
Das Einkoppeln des von einer LED emittierten Lichts in den Faserarm lässt sich verbessern, in dem zwischen dieser LED und dem Eingang des Faserarms eine Koppelsubstanz angeordnet wird. Mit Hilfe einer geeigneten Koppelsubstanz kann eine Anpassung des Brechungsindex des Faserarms bzw. dessen Licht leitenden Kerns an den Brechungsindex der LED erreicht werden. Geeignete Koppelsubstanzen sind beispielsweise Indexmatching-Öle.
Das Fixieren eines Faserarms auf einem LED-Chip bzw. dem Gehäuse des LED-Chips kann durch Verkleben oder unverklebtes Positionieren erfolgen.
Ein unverklebtes Positionieren bietet dabei den Vorteil, dass die einzelnen Faserarme auch nach einer ersten Fixierung nachjustiert werden können.
Eine vorteilhafte Ankopplung mit Justiermöglichkeit ist dadurch gekennzeichnet, dass der Faserarm in einem Koppelbereich in einem Adapter gehaltert ist, der eine Justiereinrichtung aufweist, durch die eine Zwei-Achs-Justage des Faserarms möglich ist. Mit Koppelbereich ist hier ein Endabschnitt des Faserarms gemeint. In diesem Koppelbereich wird der Faserarm beispielsweise durch zwei zueinander im Wesentlichen senkrecht angeordnete mechanische Justiereinrichtungen gehalten, durch die jeweils eine Ein-Achs-Justage möglich ist.
Eine effektive Kühlung der LED-Lichtquelle lässt sich dadurch erzielen, dass der Kühlkörper einen Kühlblock und einen mit dem Kühlblock in thermischer Verbindung stehenden Kühlträger umfasst, dass die LEDs auf dem Kühlträger angeordnet sind und dass wenigstens eine Heatpipe (Wärmerohr) durch den Kühlträger hindurchfährt. Vorzugsweise sind der Kühlblock und der Kühlträger aus Metall gefertigt. Metall zeichnet sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aus. Werden die LEDs mit einem guten thermischen Kontakt auf dem Kühlkörper befestigt, lässt sich die von den LEDs abgegebene Wärme effektiv über den Kühlkörper und den Kühlblock ableiten.
Ein geeignetes Metall mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit ist Kupfer.
Die Wärmeableitung kann gesteigert werden, wenn die Heatpipes teilweise mit einer Kühlflüssigkeit gefühlt sind. In einer besonderen Ausführungsform besteht die Heatpipe aus einem hermetisch gekapselten Rohr mit je einer Wärmeübertragungsfläche für Wärmequelle und Wärmesenke. Das Rohr ist mit Wasser als Kühlflüssigkeit gefühlt, das in dem Rohr zum Teil flüssig als auch gasförmig vorliegt. Der Druck im Rohr ist sehr klein und die Flüssigkeit an der heißen Seite beginnt bei Wärmeeinwirkung sofort zu verdampfen. Dadurch wird dem zu kühlenden Material die Wärme entzogen. Der Dampf strömt durch Konvektion zur Senke (Kühlzone), gibt die Verdampfungswärme wieder ab und kondensiert dabei. Das flüssig gewordene Medium kehrt in die heiße Zone zurück und ist wieder bereit, Wärme aufzunehmen.
Der Vorteil einer Heatpipe liegt in der hohen Wärmestromdichte (für Wasser-Kupfer-Heatpipes bis ca. 40 W/cm² einkoppelbarer Wärmestrom) und der antriebslosen Zirkulation des Kühlmittels. Als Kühlmittel kommen neben Wasser auch andere Mittel in Betracht, wie zum Beispiel Wasser-Glykol-Gemische.
Eine gute Kühlung des Kühlblocks wird dadurch erzielt, dass wenigstens eine Heatpipe U-förmig um den Metallblock geführt ist bzw. in geeigneten Ausnehmungen in den Metallblock eingesetzt sind. Auf diese Weise gelingt es, die Wärme zunächst über die Heatpipes von den LEDs in einen hinteren Bereich des Kühlkörpers zu leiten und dort abzuführen. Das Abführen wird beispielsweise durch einen Lüfter verbessert, der in dem hinteren Bereich des Kühlkörpers angeordnet ist. Heatpipes eignen sich für den Wärmetransport von den LEDs in den hinteren Bereich des Kühlkörpers besonders, weil sie flexibel ausgeführt werden können. Dadurch lassen sie sich an unterschiedliche Formen des Kühlkörpers anpassen.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst der Kühlkörper ein Heatpipe-Band (mehrere bereits miteinander in paralleler Anordnung verbundene Heatpipes), auf das die LEDs angeordnet sind.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Kopplung zwischen Faserarm und LED lösbar ausgebildet. Zum einen wird hierdurch die Wartung, insbesondere Reinigung und Reparatur, erleichtert. Zum anderen lässt sich die LED-Lichtquelle einfach an unterschiedliche Anwendungen anpassen, beispielsweise durch Austausch des LED-Arrays gegen ein anderes LED-Array mit LEDs anderer Farbe und/oder Intensität.
Eine lösbare Kopplung ist beispielsweise dadurch gekennzeichnet, dass an einer Koppelstelle, an der die Kopplung zwischen Faserarm und LED erfolgt, eine Gradientenlinse in die LED eingesetzt ist, dass zwischen der LED und dem Faserarm ein Spalt ausgebildet ist, der mit Gas gefüllt ist, dass der Faserarm im Koppelbereich mit einem Faserstecker versehen ist, und dass der Faserarm an dem Faserstecker fixierbar ist.
Eine einfache Ausführungsform dieser lösbaren Kopplung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gas Luft ist. Hier ist keine Isolation des Gasvolumens erforderlich.
Für Anwendungen, bei denen bestimmte Eigenschaften des Lichts wünschenswert sind, kann ein geeignetes Filter in dem Spalt angeordnet sein, beispielsweise ein Polarisationsfilter.
Für viele Anwendungen kommt es darauf an, dass das Gesamtsystem eine bestimmte Farbcharakteristik aufweist. Die Farbcharakteristik des Gesamtsystems wird durch Farbmischung der von den einzelnen LEDs abgegebenen Lichts erzielt. Eine effektive Farbmischung wird durch die Verwendung von Faserarmen erreicht, die die einzelnen räumlichen Moden der Lichtausbreitung nicht erhalten bzw. durch geeignete Ausführung in der Faser oder optische Elemente an Faserein- oder Ausgang sogar gezielt durchmischen.
Kommt es auf die Polarisation des Lichts an, ist es zweckmäßig, die Faserarme polarisationserhaltend auszubilden. Dies ist insbesondere erforderlich, wenn die Polarisation bereits in dem Spalt zwischen Eingang der Faserarme und LEDs erzeugt wird und nicht verloren gehen soll.
In einer besonderen Ausführungsform weisen die LEDs zumindest teilweise unterschiedliche Kennlinienfelder auf. Ein Kennlinienfeld ist eine Kurvenschar, aus der beispielsweise die Farbtemperatur einer LED bestimmt werden kann, wenn bekannt ist, auf welchem Arbeitspunkt (Strom/Spannung) die LED arbeitet.
In einer weiteren Ausführungsform weisen die LEDs zumindest teilweise unterschiedliche Farbcharakteristiken auf. Durch die Kombination von LEDs unterschiedlicher Kennlinienfelder und/oder Farbcharakteristiken lässt sich die Intensität und Farbcharakteristik des Gesamtsystems beeinflussen.
Für bestimmte Anwendungen ist es wünschenswert, eine möglichst konstante vorgegebene Farbcharakteristik und/oder Intensität bereitzustellen oder diese gezielt entlang vorgegebener Werte zu variieren. Dies lässt sich mittels einer geeigneten Re geleinrichtung erreichen. Je nach Anforderungen werden geeignete und hinreichend bekannte Regler eingesetzt, wie Proportionalregler, Integralregler, Differenzialregler oder Kombinationen dieser Reglertypen.
Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Ansteuern und Stabilisieren der von Farb- und/oder Intensitätsparametern einer erfindungsgemäßen Lichtquelle gelöst mit den Schritten:

a. Messen der Strom-Spannungs-Arbeitspunkte an den einzelnen LEDs, wobei mindestens zwei LEDs von unterschiedlicher Bauart sind oder an unterschiedlichen Kennlinienpunkten betrieben werden;
b. Vergleichen der gemessenen Strom-Spannungs-Arbeitspunkte mit abgespeicherten Kennlinienfeldern der LEDs zur Ermittlung der Farb- und/oder Intensitätsparameter;
c. Nachstellen des Mischungsverhältnisses der LEDs, bis ein gewünschter Arbeitspunkt des Gesamtsystems erreicht ist, unter Ausnutzung der Tatsache, dass mindestens zwei LEDs unterschiedliche Kennlinienfelder besitzen bzw. in unterschiedlichen Arbeitspunkten betrieben werden und so erst der zusätzliche, für die Regelung in einen beliebigen Arbeitspunkt hinein erforderliche Freiheitsgrad zur Verfügung gestellt wird.

Diese Stabilisierung ist prinzipiell so nur für eine LED-Lichtquelle mit einer Mehrzahl von nicht durchgängig baugleichen LEDs (Multi-LED-Lichtquelle) möglich: Liegt nur eine LED vor, so kann lediglich die vorgewählte Intensität durch Anwahl des geeigneten Stroms angewählt werden. Bei mehreren LEDs kann man entweder aufgrund unterschiedlicher Kennlinienfelder der unterschiedlichen Typen oder durch Betrieb baugleicher LEDs in unterschiedlichen Arbeitspunkten zusätzliche Freiheitsgrade realisieren, die es erlauben, sowohl Farbmischung als auch Intensität vorzuwählen oder geeignet zu regeln oder zu stabilisieren.
Hierdurch lassen sich beispielsweise das Einschaltverhalten (noch „kalte" LED, Verschiebung von Leistung und Farbe über die Betriebsdauer, durchaus typisch über viele Minuten) kompensieren, so dass der Nutzer nicht erst einen stabilen Betriebs zustand abwarten oder mit einer noch nicht gewünschten Einstellung arbeiten muss, oder aber auch eine Langzeitdrift durch die erfindungsgemäße Stabilisierung über Kennlinienfelder ausschließen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht somit das gezielte Einstellen und automatische Stabilisieren der Farbtemperatur und/oder Intensität einer erfindungsgemäßen LED-Lichtquelle.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist erfindungsgemäß eine Modulationseinrichtung vorgesehen, durch die ein Ansteuersignal für die LEDs eine mit einer periodischen Modulationsfunktion f(t) (t = Zeit) modulierbar ist bzw. moduliert wird. Eine gezielte Modulation des Lichtsignals (über das elektrische Ansteuersignal) in Farbzusammensetzung und/oder Intensität ist insbesondere zur Verbesserung der Messung bei automatischer Messwertaufzeichnung zweckmäßig. Auf diese Weise lassen sich Messfehler reduzieren, die durch Störsignale verursacht werden.
Mit Hilfe der Modulationseinrichtung lässt sich die erfindungsgemäße LED-Lichtquelle als optischer Lock-in-Verstärker ausführen und verwenden. Dabei wird das Lichtsignal mit einer periodischen Funktion f(t) moduliert. Der Messwert wird sodann nach Aufzeichnung mit der Funktion f(t + Δ) multipliziert und zeitlich über wenigstens eine Periode der Funktion f(t) gemittelt. Δ ist dabei eine geeignet zu wählende Verschiebung zwischen 0 und einer Periode von f(t). Einen einfachen Fall einer periodischen Funktion f(t) erhält man, wenn man die Funktion f(t) als Folge periodischer Rechteckfunktionen wählt. Diese Funktion f(t) führt zu einem Einschalt- und Ausschaltvorgang der LED-Lichtquelle, also einer stroboskopartigen Beleuchtung.
Die Erfindung wird anhand der in den folgenden Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen LED-Lichtquelle,
2 eine vergrößerte Querschnittsansicht eines Ausschnitts einer weiteren Ausführungsform der Erfindungsgemäßen LED-Lichtquelle in einem Bereich, in dem ein Faserarm an eine LED gekoppelt wird,
3 eine vereinfachte Seitenansicht einer erfindungsgemäßen LED-Lichtquelle,
4 eine vereinfachte Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen LED-Lichtquelle und
5 ein Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
In 1 ist eine erfindungsgemäße LED-Lichtquelle 1 dargestellt.
Die LED-Lichtquelle 1 umfasst einen Kühlkörper 2, 16 LEDs 3 und ein Multiport-Faserbündel 4.
Der Kühlkörper 2 setzt sich zusammen aus einem Kühlblock 5 und einem Kühlträger 6. Sowohl der Kühlblock 5 als auch der Kühlträger 6 sind aus Kupfer gefertigt. Der Kühlträger 6 weist eine quaderförmige Struktur auf. Der Kühlträger 6 ist parallel zu einer Oberfläche 7 des Kühlblocks 5 angeordnet. Zwischen dem Kühlträger 6 und der Oberfläche 7 des Kühlblocks 5 ist ein Spalt 8 ausgebildet, der in 1 nur schwer erkennbar ist.
Der Kühlträger 6 ist mit dem Kühlblock 5 über vier U-förmige Heatpipes 9 verbunden. Die Heatpipes 9 sind aus Kupfer gefertigt.
Die Heatpipes 9 sind hermetisch gekapselte Rohre, die teilweise mit Wasser gefüllt sind. Das Wasser dient als Kühlmittel und liegt in dem Rohr zum Teil flüssig und zum Teil gasförmig vor. Die Heatpipes 9 führen geschlossen durch den Kühlträger 6 hindurch, was in 1 nicht zu erkennen ist. Die Heatpipes 9 führen an Seiten 10 des Kühlblocks 5 entlang.
Die Heatpipes 9 sind an den Seiten 10 in Ausnehmungen 11 geführt, die in dem Kühlblock 5 eingelassen sind. Entlang dieser Führung haben die Heatpipes thermischen Kontakt zu dem Kühlblock 5.
Die Heatpipes 9 sind mit Hilfe einer Platte 12 an dem Kühlblock 5 fixiert. Hierzu weisen die Platten 12 zu den Ausnehmungen 11 korrespondierende Ausnehmungen 13 auf. Die Platten 12 werden mit Schrauben 14 an dem Kühlblock 5 fixiert. Die Platten 12 sind aus Plexiglas gefertigt.
Auf einer dem Kühlträger gegenüberliegenden Seite 15 des Kühlblocks 5 ist ein Lüfter 16 angeordnet. Der Lüfter 16 ist mit Schrauben 17 an dem Kühlblock fixiert. Der Lüfter 16 ist derart angeordnet, dass er den Kühlblock 5 möglichst gut kühlt.
Die LEDs 3 sind in einem 4 × 4-Array auf dem Kühlträger 6 befestigt. Die Befestigung erfolgt hier mit Hilfe einer Klebeverbindung.
Auf jeder LED 3 bzw. um sie herum ist ein Adapter 18 angeordnet (Die LED kann auch auf einem Träger innerhalb des Adapters 18 gelagert sein). Die Adapter 18 sind mit Schrauben 19 an dem Kühlträger 6 fixiert. In die Adapter 18 führen Faserarme 20 des Multiport-Faserbündels 4 hinein. Dies ist in 1 nur skizzenhaft angedeutet.
Die Faserarme 20 werden in den Adaptern 18 durch Fixierschrauben 21 gehalten. Die Fixierschrauben 21 sind als Zwei-Achs-Justiereinrichtung ausgeführt. Die Faserarme 20 lassen sich zusätzlich zur Fixierung in einer Ebene, die im Wesentlichen parallel zu dem LED-Array liegt, justieren. Eine Feinjustage wird insbesondere dann erreicht, wenn die Fixierschrauben 21 als Mikrometerschrauben ausgebildet sind.
Die Faserarme 20 sind in einem Eingangsbereich 23 angeordnet. Die Faserarme 20 laufen in einem Ausgangsbereich 24 in eine einzelne Faser 25 zusammen. Die Faser 25 in dem Ausgangsbereich 24 hat einen größeren Durchmesser als die Faserarme 20.
In dem Ausgangsbereich 24 ist die Faser 25 an einem Ende mit einem Faserstecker 26 abgeschlossen.
Über den Faserstecker 26 kann die erfindungsgemäße LED-Lichtquelle 1 an eine weitere Faser 27 gekoppelt werden.
2 zeigt vereinfacht eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen LED-Lichtquelle aus 1. Gleiche Merkmale werden mit gleichen Bezugsziffern wie in 1 gekennzeichnet.
2 erläutert insbesondere das Wärmemanagement. Hierbei geht es darum, wie die von den LEDs (in 2 nicht zu erkennen) erzeugte Wärme abgeführt wird.
Zum einen wird die Wärme aufgrund von Konvektion 28 in den Heatpipes 9 von dem Kühlträger 6 an dem Kühlblock 5 vorbei zu der dem Kühlträger 6 gegenüberliegenden Seite 15 des Kühlblocks 5 geleitet. Der Transport der Wärme durch die Kühlflüssigkeit in den Heatpipes 9 ist durch Pfeile 29 angedeutet.
Auch außerhalb der Heatpipes entsteht Wärme. Diese Wärme strömt durch einen Zwischenraum 30 zwischen Kühlträger 6 und Kühlblock 5 hindurch. Dies ist durch einen Pfeil 31 angedeutet.
Der Lüfter 16 sorgt dafür, dass die Warmluft auch von dem hinteren Bereich des Kühlblocks 5 weggeführt wird.
3 zeigt eine vereinfachte Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LED-Lichtquelle 32.
Die LED-Lichtquelle 32 umfasst einen Kühlkörper 33, Heatpipes 34, LEDs 35 und einen Faserarm 36.
Der Faserarm 36 ist in einem Block 37 fixiert, der mit dem Kühlkörper 33 verbunden ist. Die LEDs 35 werden über elektrische Anschlüsse 38 mit Strom versorgt.
Das Besondere bei dieser Ausführungsform der erfindungsgemäßen LED-Lichtquelle 32 aus 3 besteht darin, dass der Faserarm 36 lösbar mit der LED 35 gekoppelt ist.
Die lösbare Kopplung ist wie folgt realisiert: Die LED 35 ist mit einem optischen Austrittselement 39 (auch Dome genannt) versehen. In diesen Dome 39 ist eine Gradienten-Indexlinse (auch GRIN-Linse genannt) dauerhaft eingesetzt. Die Gradienten-Indexlinse 40 ist durch einen Luftspalt 41 unterbrochen. Der Faserarm 36 ist an einem Ende 42 mit einem Faserstecker 43 versehen.
Der Lichtverlauf innerhalb der Gradienten-Indexlinse 40 ist durch Pfeile 44 angedeutet.
Der Luftspalt 41 ist cirka 1 bis 2 mm breit.
In dem Luftspalt 41 ist ein Filter 45 angeordnet. Das Filter 45 ist an einem Flügel 46 befestigt. Der Flügel 46 ist über eine Achse 46 drehbar mit einem Motor 48 verbunden. An einem weiteren Flügel 49 ist ein weiteres Filter 50 befestigt. Bei dem Motor 48 handelt es sich um einen Elektromotor, der über Kontakte 51 mit Strom versorgt wird.
Der Faserarm 36 kann zusammen mit dem Faserstecker 43 aus dem Block 37 gelöst und wieder hineingesteckt werden. Die Fixierung kann mit Fixierschrauben (nicht dargestellt) erfolgen.
In 4 ist vereinfacht eine Seitenquerschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen LED-Lichtquelle 52 im Bereich der Kopplung zwischen einem Faserarm 53 und einer LED 54 dargestellt.
Der Faserarm 53 ist mit einem Faserstecker 55 versehen, der in einem Adapter 56 mittels Fixier- und Justierschrauben 57 fixiert ist. In 4 sind nur zwei Justier- und Fixierschrauben 57 einer Zwei-Achs-Justiereinrichtung dargestellt. Die andere (nicht dargestellte) Justierrichtung führt senkrecht zur Papierebene.
In 4 ist weiter eine Heatpipe 58 dargestellt, die durch einen Kühlkörper 59 hindurchfährt. Der Kühlkörper 59 ist in dem in 4 dargestellten Bereich zweigeteilt. Es sind zwei aufeinander liegende Kühlkörperplatten 60 zu erkennen.
In 5 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren schematisch dargestellt.
Eine Anzahl von N LEDs 61 werden von einer einstellbaren Konstantstromquelle 62 mit Strömen I₁ bis I_N versorgt. Die Konstantstromquelle 62 umfasst N Kanäle. Jeder Kanal ist einer LED 61 zugeordnet, so dass jede LED 61 einzeln und unabhängig voneinander mit Strom versorgt wird.
Mittels einer Spannungsmesseinrichtung 63 werden N Spannungen U₁ bis U_N gemessen, die jeweils an einer der LEDs 61 anliegen. Zweckmäßig ist es, ein Spannungsmessgerät mit N Kanälen zu verwenden, von denen jeweils ein Kanal einer LED 61 zugeordnet ist.
In einer Recheneinheit 64, beispielsweise einem PC oder einem Mikrokontroller, sind in einer Speichereinheit (nicht dargestellt) Kennlinienfelder 65 der LEDs 61 gespeichert.
Jedes Strom/Spannungs-Paar (I₁, U₁) bis (I_N, U_N) bestimmt eindeutig den Arbeitspunkt der zugeordneten LED 61. Die Recheneinheit 64 vergleicht die Arbeitspunkte mit den abgespeicherten Kennlinienfeldern und bestimmt so bestimmte Eigenschaften der LEDs 61. Zu diesen Eigenschaften gehören zum Beispiel die Sperrschicht temperatur, Lichtintensität, Farbtemperatur und der Farbort. Die Arbeitspunktbestimmung ist als Schritt 66 bezeichnet.
In einer Speichereinheit 67 sind Soll-Werte für bestimmte Eigenschaften der LEDs 61 gespeichert. Zu diesen Eigenschaften gehören beispielsweise die Lichtintensität, Farbmischung und Modulation.
In einem Vergleichsschritt 68 werden die Soll-Werte mit den korrespondierenden Ist-Werten verglichen, die bei der Arbeitspunktbestimmung ermittelt werden.
Aus dem Soll-Ist-Vergleich 68 wird ein Regelsignal 69 generiert. Mit dem Regelsignal 69 wird die einstellbare Konstantstromquelle 61 so angesteuert, dass der bzw. die interessierenden Ist-Werte möglichst gut mit den korrespondierenden Sollwerten übereinstimmen.
Die dargestellte Regelschleife kann mit bekannten Reglern realisiert werden. Hierzu zählen beispielsweise Proportionalregler, Differentialregler, Integralregler oder für die konkrete Anwendung zweckmäßige Kombinationen (z. B. im Hinblick auf Schnelligkeit oder Stabilität der Regelschleife).

1: LED-Lichtquelle
2: Kühlkörper
3: LED
4: Multiport-Faserbündel
5: Kühlblock
6: Kühlträger
7: Oberfläche des Kühlblocks 5
8: Spalt zwischen Kühlträger 6 und Oberfläche 7
9: Heatpipe
10: Seiten des Kühlblocks 5
11: Ausnehmung in Kühlblock 5
12: Platte
13: Ausnehmung in Platte 12
14: Schraube
15: Seite (dem Kühlträger 6 gegenüberliegend)
16: Lüfter
17: Schraube (Lüfter/Kühlblock)
18: Adapter
19: Schraube (Adapter/Kühlträger)
20: Faserarm
21: Fixierschraube
22: Oberfläche des Kühlträgers 6
23: Eingangsbereich
24: Ausgangsbereich
25: Faser
26: Faserstecker
27: weitere Faser
28: Konvektion
29: Pfeil (Konvektion)
30: Zwischenraum (Kühlträger 6/Kühlblock 5)
31: Pfeil (Wärmestrom)
32: weitere LED-Lichtquelle (3)
33: Kühlkörper
34: Heatpipe
35: LED
36: Faserarm
37: Block
38: elektrischer Kontakt
39: Dome
40: Gradienten-Indexlinse (GRIN)
41: Luftspalt
42: Ende (des Faserarms 36)
43: Faserstecker
44: Pfeile (GRIN 40)
45: Filter
46: Flügel
47: Achse
48: Motor
49: Flügel
50: Filter
51: Kontakt (Motor)
52: LED-Lichtquelle (4)
53: Faserarm
54: LED
55: Faserstecker
56: Adapter
57: Justierschraube
58: Heatpipe
59: Kühlkörper
60: Kühlkörperplatte
61: LED (5)
62: Konstantstromquelle
63: Spannungsmesseinrichtung
64: Recheneinheit
65: Kennlinienfeld
66: Arbeitspunktbestimmung
67: Speichereinheit
68: Soll-Ist-Vergleich
69: Regelsignal

Claims

LED-Lichtquelle mit einer Mehrzahl von LEDs (3, 35, 54, 61), dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Lichtquelle (1) einen Kühlkörper (2) aufweist, auf dem die LEDs (3, 35, 54, 61) in einem Array angeordnet sind, dass die LED-Lichtquelle (1) ein Multiport-Faserbündel (4) aufweist, das einen Eingangsbereich (23) mit einer Mehrzahl einzelner Faserarme (20) und einen Ausgangsbereich (24) mit einer einzelnen Faser (25) aufweist, dass die Faserarme (20) vom Eingangsbereich (23) zum Ausgangsbereich (24) hin zusammengeführt sind, und dass jede LED (3, 35, 54, 61) optisch an einen der Faserarme (20) gekoppelt ist.
LED-Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung zwischen einer LED (3, 35, 54, 61) und einem Faserarm (20) auf Stoß ausgeführt ist.
LED-Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Koppelsubstanz, die zwischen einer LED (3, 35, 54, 61) und einem Faserarm (20) angeordnet ist.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserarm (20) in einem Koppelbereich in einem Adapter (18) gehaltert ist, der eine Justiereinrichtung aufweist, durch die eine Zwei-Achs-Justage des Faserarms (20) möglich ist.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (2) einen Kühlblock (4) und einen mit dem Kühlblock (4) in thermischer Verbindung stehenden Kühlträger (5) umfasst, dass die LEDs (3, 35, 54, 61) auf dem Kühlträger (5) angeordnet sind, und dass wenigstens eine Heatpipe (9, 34, 58) durch den Kühlträger (5) hindurch führt.
LED-Lichtquelle nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlblock (4) und/oder der Kühlträger (5) aus Kupfer gefertigt sind.
LED-Lichtquelle nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Heatpipe (9, 34, 58) U-förmig um den Kühlblock (4) geführt ist.
LED-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkörper (5) ein Heatpipe-Band umfasst, auf dem die LEDs (3, 35, 54, 61) angeordnet sind.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Lüfter (16), der angeordnet ist, den Kühlkörper (5) zu kühlen.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserarme (20) elastisch ausgebildet sind.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung zwischen Faserarm (20) und LED (3, 35, 54, 61) lösbar ausgebildet ist.
LED-Lichtquelle nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Koppelstelle, an der die Kopplung zwischen Faserarm (20) und LED (3, 35, 54, 61) erfolgt, eine Gradienten-Indexlinse (40) in die LED (3, 35, 54, 61) eingesetzt ist, dass zwischen der LED (3, 35, 54, 61) und dem Faserarm (20) ein Spalt (41) ausgebildet ist, der mit Gas gefüllt ist, dass der Faserarm (20) im Koppelbereich mit einem Faserstecker (43) versehen ist, und dass der Faserarm (20) an dem Faserstecker (43) fixierbar ist.
LED-Lichtquelle nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas Luft ist.
LED-Lichtquelle nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch ein Filter (45), das in dem Spalt (41) angeordnet ist.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserarme (20) nicht Moden erhaltend ausgebildet sind. 16. LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Faserarme (20) polarisationserhaltend ausgebildet sind.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch wenigstens einen Polarisator, der in oder auf einer LED (3, 35, 54, 61) angeordnet ist.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs (3, 35, 54, 61) zumindest teilweise unterschiedliche Kennlinienfelder (65) aufweisen.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LEDs (3, 35, 54, 61) zumindest teilweise unterschiedliche Farbcharakteristiken aufweisen.
LED-Lichtquelle nach Anspruch 18 oder 19, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung, durch die die einzelnen LEDs (3, 35, 54, 61) derart angesteuert werden, dass für die Farbcharakteristik und/oder Intensität des von den LEDs (3, 35, 54, 61) emittierten Lichts eine vordefinierte Farbcharakteristik und/oder Intensität erzielbar ist.
LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Modulationseinrichtung, durch die ein Ansteuersignal für die LEDs (3, 35, 54, 61) eine mit einer periodischen Modulationsfunktion f(t) modulierbar ist.
LED-Lichtquelle nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass eine Messeinrichtung vorgesehen ist, die ausgebildet ist, ein Messsignal zu detektieren, das von einer mit dem modulierten Licht der LED-Lichtquelle (1) beleuchteten Probe herrührt, das Messsignal mit der Funktion f(t + Δ) zu multiplizieren, das Produkt über wenigstens eine Periode der Modulationsfunktion f(t) zu mitteln und das Ergebnis bereitzustellen.
Verfahren zum Ansteuern und Stabilisieren von Farb- und/oder Intensitätsparametern einer LED-Lichtquelle nach einem der vorstehenden Ansprüche mit den Schritten: a. Messen der Strom-Spannungs-Arbeitspunkte an den einzelnen LEDs (3, 35, 54, 61), wobei mindestens zwei LEDs (3, 35, 54, 61) von unterschiedlicher Bauart sind oder an unterschiedlichen Kennlinienpunkten betrieben werden; b. Vergleichen der gemessenen Strom-Spannungs-Arbeitspunkte mit abgespeicherten Kennlinienfeldern (65) der LEDs (3, 35, 54, 61) zur Ermittlung der Farb- und/oder Intensitätsparameter; c. Nachstellen des Mischungsverhältnisses der LEDs (3, 35, 54, 61), bis ein gewünschter Arbeitspunkt des Gesamtsystems erreicht ist, unter Ausnutzung der Tatsache, dass mindestens zwei LEDs unterschiedliche Kennlinienfelder besitzen bzw. in unterschiedlichen Arbeitspunkten betrieben werden und so erst der zusätzliche, für die Regelung in einen beliebigen Arbeitspunkt hinein erforderliche Freiheitsgrad zur Verfügung gestellt wird.