DE102009019272B4

DE102009019272B4 - Temperaturstabilisierte Kollimator-Lichtquelle

Info

Publication number: DE102009019272B4
Application number: DE102009019272A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Raith; Dr. Müller Gerd
Original assignee: IMM PHOTONICS GmbH
Current assignee: IMM PHOTONICS GmbH
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2029-04-29
Also published as: DE102009019272A1

Abstract

Temperaturstabilisierte Kollimator-Lichtquelle, enthaltend
eine Lichtquelle (4), die in einem Tragring (6) aus gut Wärme leitendem Material angeordnet und gut Wärme leitend mit dem Tragring verbunden ist,
ein Innengehäuse (8) aus schlecht Wärme leitendem Material, in dem der Tragring befestigt ist und das in einem Außengehäuse (20) gehalten ist.
ein Peltierelement (32), das zwischen dem Tragring und einem Haltering (26) aus Wärme leitendem Material angeordnet und gut Wärme leitend mit diesen Ringen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse (8) mittels einer schlecht Wärme leitenden Innengehäusehalterung (38, 42, 44) in dem Außengehäuse gehalten ist und
die Innengehäusehalterung und der Haltering an dem Außengehäuse (20) derart relativ zueinander verspannbar sind, dass die Anordnung aus Innengehäuse (8), Tragring (6) mit daran befestigter Lichtquelle (4) und Peltierelement (32) spielfrei zwischen der Innengehäusehalterung und dem Haltering gehalten und mit dem Außengehäuse verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine temperaturstabilisierte Kollimator-Lichtquelle, wie sie beispielsweise für Untersuchungen von biologischen Objekten verwendet wird. An solche Kollimator-Lichtquellen werden insbesondere, wenn die Lichtquelle eine Laserdiode ist, hohe Anforderungen sowohl hinsichtlich der Temperaturkonstanz der Lichtquelle als auch hinsichtlich der Konstanz und Genauigkeit der Position der Lichtquelle gestellt.
In der US 2004/0120156 A1 , von der im Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgegangen wird, ist eine Lichtquellenbaugruppe beschrieben, deren Lichtquelle von einer Mehrzahl von LEDs gebildet ist, die auf einer metallischen Substratplatte 11 angeordnet sind. Die Substratplatte 11 ist in einer Ringausnehmung einer thermisch isolierenden Platte 7 aufgenommen, die unter Zwischenanordnung einer Wärmeplatte 5 in ein mit einem Ringflansch 4 versehenes Gehäuse 2 eingesetzt ist. Die Isolierplatte 7 weist Durchgangsöffnungen auf, in die Kühlelemente 6, beispielsweise Peltierelemente eingesetzt sind.
Die ( DE 199 32 051 A1 ) beschreibt eine, insbesondere als Signalleuchte ausgebildete Fahrzeugleuchte mit wenigstens einer Leuchtdiode, die mit einer als aktive Temperatureinrichtung ausgebildeten Wärmeableiteinrichtung thermisch leitend verbunden ist.
Die ( DE 603 05 060 T2 ) beschreibt eine LED-Lampe mit wenigstens einem thermoelektrischen Modul mit einer ersten Fläche, die thermisch mit der LED verbunden ist, einem Kühlkörper, der thermisch mit einer zweiten Fläche des thermoelektrischen Moduls verbunden ist, einem thermisch isolierenden Gehäuse, das eine Kammer bildet, die die LED im Wesentlichen von der Umgebungsluft isoliert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kollimator-Lichtquelle zu schaffen, die bezüglich der Temperaturkonstanz der Lichtquelle und hinsichtlich der Konstanz und Genauigkeit der Position der Lichtquelle hohe Anforderungen erfüllt.
Diese Aufgabe wird mit einer temperaturstabilisierten Kollimator-Lichtquelle gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Die Lichtquelle kann unterschiedlichster Art sein. Insbesondere ist die Erfindung für Lichtquellen geeignet, bei denen das abgestrahlte Licht hinsichtlich spektraler Verteilung und/oder Leistung von der Temperatur der Lichtquelle abhängt. Besonders gut eignen sich als Lichtquellen zum Beispiel Laserdioden oder LEDs.
Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Kollimator-Lichtquelle gerichtet, wobei mit den Merkmalen der Ansprüche 5 bis 7 bei hoher Wärmeisolation zwischen Innengehäuse und Außengehäuse gleichzeitig eine Zentrierung erzielt wird.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kollimator-Lichtquelle wird im Folgenden anhand eines Laser-Kollimators unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen erläutert.
In den Figuren stellen dar:
1 einen Halbquerschnitt durch einen Laser-Kollimator und
2 eine Aufsicht auf den Laser-Kollimator gemäß 1, gesehen in der Ebene II-II der 1.
Gemäß den Figuren ist eine Laser-Diode 4 in einem Tragring 6 aus gut Wärme leitendem Material, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, gehalten. Beispielsweise kann eine Basisplatte der Laser-Diode 4 in eine entsprechende Ausnehmung des Tragrings 6 eingepresst sein. Der Tragring 6 wiederum ist in einem insgesamt rohrförmigen Innengehäuse 8 aus schlecht Wärme leitendem Material, beispielsweise V₂A-Stahl, befestigt. Dazu kann der Tragring 6 in eine Durchgangsöffnung 10 des Innengehäuses 8 umgebende stufenförmige Ausnehmung 12 eingepresst sein. Die Ausnehmung 12 des Innengehäuses 8 ist von einer Stirnseite des Innengehäuses 8 her eingearbeitet. In die andere, gemäß 1 obere Stirnseite des Innengehäuses 8 sind in Umfangsrichtung beabstandet Keilnuten 14 ausgebildet, deren zur Achse des Innengehäuses 8 paralleler Querschnitt V-förmig ist und radial einwärts abnimmt, so dass Seitenflächen der Keilnut 14 schräge Anlageflächen 16 bilden. Bevorzugt sind in der Stirnfläche des Innengehäuses 8 drei in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandete Keilnuten 14 ausgebildet. Zur Verminderung der Wärmeleitung von der Ausnehmung 12 zu den Keilnuten 14 sind in der mit konstantem Innendurchmesser ausgebildeten rohrförmigen Wand des Innengehäuses 8 radiale Durchgangsöffnungen 18 ausgebildet.
Das insgesamt rohrförmige Innengehäuse 8 ist vorzugsweise konzentrisch innerhalb eines ebenfalls insgesamt rohrförmigen Außengehäuses 20 aufgenommen, so dass die gesamte Anordnung eine Achse A-A hat. Das Außengehäuse 20 weist an seinem unteren Ende radial innen eine stufenförmige Ausnehmung 22 auf, deren axial gerichtete Innenwand mit einem Innengewinde 24 versehen ist. In der stufenförmigen Ausnehmung 22 ist ein vorzugsweise aus thermisch gut leitendem Material, beispielsweise Kupfer oder Aluminium, bestehender Haltering 26 mit ggf. geringem radialem Spiel eingesetzt, der von einem in das Innengewinde 24 eingeschraubten Gewindering 28 in Anlage an den Boden der stufenförmigen Ausnehmung 22 gepresst wird.
Mit dem Haltering 26 ist die Warmseite 30 eines insgesamt mit 32 bezeichneten Peltierelements thermisch gut leitend verbunden. Die Kaltseite 34 des Peltierelements 32 ist thermisch gut leitend mit dem Tragring 6 verbunden. Die Warmseite 30 und die Kaltseite 34 des in seinem Aufbau an sich bekannten, ggf. mehrstufigen Peltierelements 32 sind thermisch gut leitend mit dem Haltering 26 bzw. dem Tragring 6 verbunden, indem zwischen ihnen und dem jeweiligen beispielsweise scheibenförmigen Ring Wärmeleitpaste und/oder Wärmeleitfolie angeordnet ist, wodurch eine flächige Berührung und eine gute Wärmeleitfähigkeit sichergestellt ist.
Zur Halterung des Innengehäuses 8 in der Durchgangsöffnung 35 des Außengehäuses 20 ist ein oberer Bereich des Außengehäuses 20 mit einem Innengewinde 36 versehen, in das ein Gewindering 38 eingeschraubt ist, der an seiner Unterseite eine Ringnut 40 aufweist, in die ein Ring 42 aus elastischem Material eingesetzt ist. Zwischen dem Ring 42 und den Keilnuten 14 sind vorteilhafterweise durch Kugeln 44, beispielsweise Saphirkugeln, gebildete Wälzkörper angeordnet, die sich bei Einschrauben des Gewinderings 38 in das Außengehäuse 20 zwischen den Anlageflächen 16, der Innenwand des Außengehäuses 20 und dem elastischem Ring 42 abstützen und dabei das Innengehäuse 8 mit der daran starr befestigten Laser-Diode 4 spielfrei im Außengehäuse 20 zentrieren.
Der Zusammenbau der beschriebenen Anordnung ist wie folgt:
Der Tragring 6 wird in die Ausnehmung 12 des Innengehäuses 8 eingepresst. Die Laser-Diode 4 wird in die dafür vorgesehene Ausnehmung des Tragrings 6 eingepresst, so dass sie die Durchgangsöffnung 10 des Innengehäuses 8 verschließt und zentrisch darin aufgenommen ist. Die Baugruppe aus Innengehäuse 8, Tragring 6 und Laser-Diode 4 wird über das Peltierelement 32 gut Wärme leitend verbunden, wobei zwischen den Stirnflächen des Peltierelements 32 und den zugehörigen Gegenflächen des Tragrings 6 bzw. Halterings 26 Wärmeleitfolie und/oder Wärmeleitpaste angeordnet wird.
Die Baugruppe aus Haltering 26, Peltierelement 32, Tragring 6, Innengehäuse 8 und Laser-Diode 4 wird in die Ausnehmung 22 des Außengehäuses 20 eingesetzt und mittels des Gewinderings 28 darin befestigt.
Anschließend werden die Kugeln 44 eingebracht und wird der Gewindering 38 unter Zwischenanordnung des elastischen Rings 42 zwischen den Kugeln 44 und dem Gewindering 38 eingeschraubt. Dabei wird das Innengehäuse 8 mit der Laser-Diode 4 spielfrei unter leichter Verformung des elastischen Rings 42 zentriert. Dabei eventuell erfolgende radiale Verschiebungen des Tragrings 6 relativ zum Außengehäuse 20 werden von dem Peltierelement 32 bzw. dessen Verbindungen mit den scheibenförmigen Ringen 6 und 26 aufgenommen. Die Strombeschickung der Laser-Diode 4 sowie des Peltierelements 32 erfolgt über Leitungen, die von unten her in das Außengehäuse 20 führen.
Die Warmseite des Peltierelements 32 kann wegen der gut Wärme leitenden Verbindung zwischen der Warmseite und dem Haltering 26 sowie der großflächigen Ausbildung des Halterings 26 und dessen ggf. gut Wärme leitende Verbindung auch mit dem Außengehäuse 20 auf weitgehend konstanter Temperatur gehalten werden, so dass die Kaltseite 34 und damit die Laser-Diode 4 entsprechend der dem Peltierelement 32 zugeführten elektrischen Leistung auf einer genau vorgebbaren Temperatur gehalten werden kann, wobei zwischen dem Tragring 6 und dem Außengehäuse 20 über das aus schlecht Wärme leitfähigem Material bestehende, mit den radialen Durchgangsöffnungen 18 ausgebildeten Innengehäuse 8 und die Kugeln 44, die mit dem Innengehäuse 8 nur in Punktberührung sind, nur eine minimale Wärmeleitfähigkeit besteht. Dadurch wird der Leistungsbedarf des Peltierelements vermindert.
Ein Temperaturfühler, mit dem die Temperatur der Kaltseite des Peltierelements beziehungsweise der Laserdiode erfasst werden kann, und ein elektronisches Regelgerät, mit dem die Temperatur auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden kann, in dem das Peltierelement in geeigneter Weise mit Strom versorgt wird, sind nicht dargestellt.
Die beschriebene Anordnung kann in vielfältiger Weise abgeändert werden. Beispielsweise ist der elastische Ring 42 nicht zwingend. Die radialen Durchgangsöffnungen des Innengehäuses können durch dünne Verbindungsstege zwischen dem oberen und dem unteren Bereich des Innengehäuses ersetzt werden. Die beschriebene Ausführungsform ist wegen der Ausbildung des Innengehäuses und des Außengehäuses sowie der Gewinderinge und des Tragrings sowie Halterings als Drehteile besonders kostengünstig und toleranzunempfindlich.
Mit der Erfindung wird erreicht, dass die Laserdiode radial und axial in dem Außengehäuse genau positioniert werden kann und die Temperatur der Laserdiode auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden kann, so dass mittels an dem Innengehäuse und/oder dem Außengehäuse fixierten Linsen das abgestrahlte Licht in wohldefinierter Weise zu einem Strahl geformt werden kann, der für unterschiedlichste Anwendungen zur Verfügung steht.
Bezugszeichenliste

4: Laser-Diode
6: Tragring
8: Innengehäuse
10: Durchgangsöffnung
12: Ausnehmung
14: Keilnut
16: Anlagefläche
18: radiale Durchgangsöffnung
20: Außengehäuse
22: Ausnehmung
24: Innengewinde
26: Haltering
28: Gewindering
30: Warmseite
32: Peltierelement
34: Kaltseite
35: Durchgangsöffnung
36: Innengewinde
38: Gewindering
40: Ringnut
42: Ring
44: Kugel

Claims

Temperaturstabilisierte Kollimator-Lichtquelle, enthaltend eine Lichtquelle (4), die in einem Tragring (6) aus gut Wärme leitendem Material angeordnet und gut Wärme leitend mit dem Tragring verbunden ist, ein Innengehäuse (8) aus schlecht Wärme leitendem Material, in dem der Tragring befestigt ist und das in einem Außengehäuse (20) gehalten ist. ein Peltierelement (32), das zwischen dem Tragring und einem Haltering (26) aus Wärme leitendem Material angeordnet und gut Wärme leitend mit diesen Ringen verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Innengehäuse (8) mittels einer schlecht Wärme leitenden Innengehäusehalterung (38, 42, 44) in dem Außengehäuse gehalten ist und die Innengehäusehalterung und der Haltering an dem Außengehäuse (20) derart relativ zueinander verspannbar sind, dass die Anordnung aus Innengehäuse (8), Tragring (6) mit daran befestigter Lichtquelle (4) und Peltierelement (32) spielfrei zwischen der Innengehäusehalterung und dem Haltering gehalten und mit dem Außengehäuse verbunden ist.
Kollimator-Lichtquelle nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle eine Laserdiode (4) ist.
Kollimator-Lichtquelle nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Innengehäuse (8) und/oder das Außengehäuse (20) insgesamt rohrförmig ist.
Kollimator-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Peltierelement (32) ringförmig ist.
Kollimator-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Innengehäusehalte- terung (38, 42, 44) derart ausgebildet ist, dass sie das Innengehäuse (8) in dem Außengehäuse (20) zentriert.
Kollimator-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Innengäusehalterung (38, 42, 44) Wälzkörper (44) enthält, die sich zwischen einem in eine Durchgangsöffnung (35) des Außengehäuses (20) einschraubbaren Gewindering (38), der Wand der Durchgangsöffnung und Keilnuten (14) abstützen, die in einer ringförmigen Stirnfläche des Innengehäuses (8) in Umfangsrichtung beabstandet mit sich radial auswärts erweiterndem Querschnitt ausgebildet sind.
Kollimator-Lichtquelle nach Anspruch 6, wobei die Wälzkörper durch Kugeln (44) gebildet sind.
Kollimator-Lichtquelle nach Anspruch 6 oder 7, wobei sich die Wälzkörper (44) an dem Gewindering (38) über einen Ring (42) aus elastischem Material abstützen.
Kollimator-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei im Innengehäuse (8) radiale Durchgangsöffnungen (18) ausgebildet sind.
Kollimator-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei zwischen Stirnflächen des Peltierelements (32) und Gegenflächen des Tragrings (6) und des Halterings (26) eine Wärmeleitfolie und/oder eine Wärmeleitpaste angeordnet ist.
Kollimator-Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Haltering (26) in einer stufenförmigen Erweiterung (22) der Durchgangsöffnung (35) des Außengehäuses (20) aufgenommen ist und mittels eines in die stufenförmige Erweiterung einschraubbaren Gewinderings (28) gegen eine Stirnfläche der stufenförmigen Erweiterung pressbar ist.