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Stand der Technik
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In der Medizintechnik kommen in zunehmenden Maße optische Komponenten zum Einsatz, insbesondere im Bereich der Diagnostik. Beispielsweise können Ergebnisse von medizinischen Tests zum Nachweis von Krankheitserregern, insbesondere Ergebnisse resultierend aus einer Polymerase-Kettenreaktion, mit Hilfe von optischen Instrumenten ausgelesen werden, beispielsweise beim Einsatz einer Fluoreszenzspektroskopie.
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Wenn dabei optische Komponenten, insbesondere Linsen, entlang einer optischen Achse angeordnet werden müssen, verwendet man üblicherweise einen Tubus, also ein Rohr mit Innengewinde, welcher die kreisrunden Komponenten mit Spannringen fixiert aufnimmt. Solche oftmals genormten Tuben sind im Handel als Katalogware erhältlich, beispielsweise von Edmund Optics® oder Thorlabs, Inc. 1 zeigt ein Beispiel mit vier Tuben 11, 12, 13, 14, in welchen optische Elemente wie beispielsweise Linsen, Filter oder Blenden aufgenommen werden können. Einer der Tuben 11 ist transparent dargestellt und zeigt eine in seinem Inneren aufgenommene Linse 15, welche beispielsweise mit einem Spannring in den Tubus eingeschraubt ist. Wie ebenfalls in 1 gezeigt, grenzt eine Leiterplatte 20 mit mehreren Leuchtdioden 21, 22, 23, 24 an die Tuben 11, 12, 13, 14, sodass Licht von den Leuchtdioden 21, 22, 23, 24 durch die Tuben 11, 12, 13, 14 und darin angeordnete optische Elemente 15 entlang einer optischen Achse durchtreten kann. Die Tuben 11, 12, 13, 14 müssen dabei mechanisch gehaltert und passend zur Leiterplatte 20 fixiert werden, beispielsweise durch Montage auf der Leiterplatte 20. Zur Abführung von Abwärme können Kühlkörper (nicht dargestellt) beispielsweise an den Tuben 11, 12, 13, 14 oder der Rückseite der Leiterplatte 20 angebracht werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund betrifft die Erfindung ein Bauteil zur Aufnahme optischer Komponenten, insbesondere für die Medizintechnik. Das Bauteil weist mindestens eine erste Ausnehmung und eine zweite Ausnehmung auf. Die erste Ausnehmung und die zweite Ausnehmung sind dabei für eine Aufnahme optischer Komponenten vorgesehen und vorzugsweise ausgebildet.
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Bei dem Bauteil handelt es sich insbesondere um einen massiven Körper. Vorzugsweise weist der Körper eine Grundform einer Platte auf und kann als Trägerplatte für optische Komponenten verstanden werden. Unter einer Grundform einer Platte ist insbesondere gemeint, dass die Form des Körpers auf der geometrischen Form einer Platte basiert, aber insbesondere an den Ecken oder Rändern Abweichungen von dieser Form aufweisen kann, insbesondere Abweichungen in Form von Vorsprüngen oder Ausnehmungen, wobei ein Gesamtdruck des Körpers als Platte erhalten bleibt. In besonderer Ausgestaltung ist das Bauteil als Platte ausgebildet. Die erfindungsgemäßen Ausnehmungen sind dabei insbesondere auf einer Oberseite angeordnet. Das Bauteil kann zumindest teilweise aus einem besonders gut wärmeleitenden Material ausgebildet sein, insbesondere aus Metall oder aus einer Metalllegierung.
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Unter einer Ausnehmung kann insbesondere eine Aussparung oder Bohrung in dem Bauteil verstanden werden. Die Ausnehmung kann dabei vorzugsweise die Form eines Zylinders aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass eine optische Komponente direkt oder über eine Halterung, beispielsweise über einen Spannring, in die Ausnehmung hineingedreht oder hineingeschraubt werden kann. Insbesondere kann die Ausnehmung eine Geometrie und Abmessungen zur Aufnahme genormter optischer Komponenten aufweisen. Beispielsweise umfasst eine Ausnehmung einen auf eine genormte optische Linse, auf einen genormten Filter und/oder auf eine genormte Blende angepassten Durchmesser.
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Unter einer optischen Komponente kann insbesondere eine handelsübliche und/oder genormte Komponente verstanden werden, beispielsweise passive Komponenten wie eine Linse, ein Filter, eine Blende, einen Diffusor, eine Wellenplatte, ein Depolarisierer, ein Faserkoppler oder auch aktive Komponenten wie beispielsweise eine Lichtquelle oder ein Detektor. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eine optische Komponente in einer Ausnehmung aufgenommen.
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Das erfindungsgemäße Bauteil hat den Vorteil, dass mehrere optische Komponenten übereinander und/oder nebeneinander in zueinander fixierter wohldefinierter Anordnung platziert werden können. Die Erfindung stellt somit vorteilhafterweise eine Standardlösung für optische Komponenten bereit, welche mit weniger Bauteilen als bei der eingangs beschriebenen Lösung mit Tuben auskommt und bei welcher eine fehleranfällige zusätzliche Anordnung der Komponenten beziehungsweise Tuben relativ zueinander entfällt. Ferner ist von besonderem Vorteil, dass eine bei einem Betrieb der optischen Komponenten entstehende Abwärme direkt über das Bauteil abgeführt werden kann und somit auf zusätzliche Kühlkörper grundsätzlich verzichtet werden kann. Das Bauteil erlaubt somit eine kompakte, platzsparende, robuste und unmittelbar betriebsbereite Anordnung mehrerer optischer Komponenten.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weist das Bauteil ein an zumindest eine Ausnehmung angrenzendes Material zur Abführung von Wärme aus der Ausnehmung auf. Bei diesem Material zur Abführung von Wärme kann es sich insbesondere um ein Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit handeln, beispielsweise um ein Metall wie insbesondere Aluminium, eine Metalllegierung oder eine Keramik. Ferner kann es sich bei diesem Material auch um einen Verbundwerkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit handeln, insbesondere Verbundwerkstoffe mit Kunststoff (auch Kunststoff-Compounds genannt) und metallischen oder mineralischen Füllstoffen wie beispielsweise Graphit, Aluminium, Kupfer, Aluminium- oder Bornitrid. Insbesondere kann das gesamte Bauteil aus diesem wärmeabführenden Material bestehen. Alternativ kann das wärmeabführende Material nur ein Teil des Bauteils sein, insbesondere ausgeführt als ein zu einer Wärmesenke durchgehend ausgeführtes Teil, beispielsweise als eine von den Ausnehmungen wegführender Abschnitt, Leitung oder Bahn.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist zumindest eine Ausnehmung als durch das Bauteil gehende Ausnehmung ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die durchgehende Ausnehmung zwei Öffnungen im Bauteil aufweist. So kann vorteilhafterweise eine Lichtquelle an oder in einer der beiden Öffnungen platziert werden, um Licht durch die Ausnehmung (und vorzugsweise darin angeordnete optische Komponenten) hindurch strahlen zu lassen, so dass das Licht aus der zweiten Öffnung austreten kann.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist zumindest eine Ausnehmung eine Verankerung für eine optische Komponente auf. Dies hat den Vorteil, dass die optische Komponente stabil und wohldefiniert in der Ausnehmung platziert werden kann, vorzugsweise durch eine zumindest einseitige formschlüssige Arretierung. Bei der Verankerung kann es sich insbesondere um einen oder mehrere Vorsprünge handeln, insbesondere als Stufe in der Ausnehmung ausgeformt. Der Vorsprung beziehungsweise die Stufe sind dabei vorzugsweise so ausgestaltet, dass insbesondere handelsübliche oder genormte optische Komponenten oder Halterungen wie zum Beispiel Spannringe bis zu dem Vorsprung beziehungsweise der Stufe in der Ausnehmung eingebracht werden können. Alternativ oder zusätzlich kann die Verankerung ein Gewinde umfassen, insbesondere ein Innengewinde (an einer Innenwand) der Ausnehmung. Dies hat den Vorteil, dass die optischen Komponenten beziehungsweise Halterungen in die Ausnehmung eingeschraubt werden können.
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Bevorzugt erstreckt sich zumindest eine der Ausnehmungen senkrecht zu einer Oberfläche des Bauteils. Alternativ oder zusätzlich kann zumindest eine Ausnehmung schräg zur Oberfläche ausgebildet sein. Dies ermöglicht einen geraden optischen Weg aus der Ausnehmung heraus, wobei der optische Weg einen Winkel kleiner als 90 Grad zur Oberfläche aufweist.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst das Bauteil eine Platine. Unter einer Platine kann ein Substrat verstanden werden, auf oder in welchem optische Komponenten angeordnet werden können. Insbesondere kann es sich bei der Platine um eine Leiterplatte handeln, also einen Träger für elektrische Bauteile. Vorzugsweise erstreckt sich die Platine über zumindest eine der Ausnehmungen, bevorzugt über eine durch das Bauteil durchgehende Ausnehmung. Dies hat den Vorteil, dass über die Platine eine Verbindung zu einer optischen Komponente an oder in der Ausnehmung hergestellt werden kann, insbesondere eine elektrische Kontaktierung.
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Das Bauteil kann in einer vorteilhaften Ausgestaltung eine Lichtquelle aufweisen, beispielsweise eine Leuchtdiode, wobei die Lichtquelle bevorzugt an oder in einer Ausnehmung aufgenommen ist, vorzugsweise an oder in einer durchgehenden Ausnehmung. Alternativ zur Leuchtdiode kann das Bauteil auch eine andere optoelektronische Lichtquelle aufweisen, beispielsweise einen Oberflächenemitter, auch VCSEL (von vertical-cavity surface-emitting laser) genannt, zum Beispiel einen einzelnen Oberflächenemitter oder ein Array mit mehreren VCSEL. Die Lichtquelle kann dabei über eine Halterung angebracht sein, insbesondere über die oben beschriebene Platine, beispielsweise in Form einer Leiterplatte. Dies hat den besonderen Vorteil, dass die Lichtquelle über die Platine angesteuert werden kann, um Licht aus der Lichtquelle durch die Ausnehmung, durch eine darin vorzugsweise angeordnete optische Komponente und durch eine Öffnung aus der Ausnehmung hinaus zu schicken.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils zur Aufnahme optischer Komponenten. In einem ersten Schritt des Verfahrens wird ein massiver Körper bereitgestellt, welche vorzugsweise wie oben erläutert eine plattenförmige Grundform aufweist. In einem zweiten Schritt werden zumindest zwei Ausnehmungen erzeugt, wobei die Ausnehmungen auf einer Oberfläche des Körpers zur Aufnahme optischer Komponenten ausgebildet werden.
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In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird das Bauteil um eine Platine mit zumindest einer auf der Platine angeordneten Lichtquelle erweitert, wobei die Platine derart zum Körper platziert wird, dass die Lichtquelle an oder in einer Ausnehmung des Bauteils angeordnet sind.
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Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens und den beschriebenen vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen wird auf die oben ausgeführten korrespondierenden Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauteils verwiesen.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung der Elemente verzichtet wird.
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Es zeigen
- 1 eine Anordnung von optischen Komponenten nach dem Stand der Technik wie eingangs beschrieben,
- 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauteils und
- 3 ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsformen der Erfindung
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauteils 100. Ein Körper 101 des Bauteils 100 weist wie dargestellt die Grundform einer Platte auf, wobei an den langen Enden der Platte Vorsprünge 102, 103 mit Löchern zur Verankerung in einem Gerät vorgesehen sind, beispielsweise in einer Prozessiereinheit eines mikrofluidischen System zum Nachweis von Pathogenen wie beispielsweise in
DE 10 2016 222 075 A1 und
DE 10 2016 222 072 A1 beschrieben.
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Der massive Körper ist vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Metall zur Abführung von Abwärme bei einem Betrieb ausgebildet, beispielsweise aus Aluminium wie oben angeführt. Das Bauteil 100 weist in diesem Beispiel vier quer durch den Körper 101 gehende Ausnehmungen 110, 120, 130, 140 auf, welche als zylinderförmige Aussparungen ausgebildet sind. In 2 ist eine Schnittansicht des Bauteils 100 dargestellt, wobei der Schnitt quer durch das Bauteil und mittig durch die erste Ausnehmung 110 und die zweite Ausnehmung 120 geht, um eine Innenansicht dieser beiden Ausnehmungen 110, 120 zu skizzieren, welche sich wie dargestellt von einer ersten Oberfläche 105 bis zu einer zweiten Oberfläche 104 durch den Körper 101 erstrecken.
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Wie in 2 gezeigt, weisen die erste Ausnehmung 110 und die zweite Ausnehmung 120 jeweils Verankerungen 111, 112, 121, 122 in Form von jeweils einem Innengewinde 111, 121 und jeweils einer Stufe 112, 122 auf. In beiden Ausnehmungen 110, 120 sind beispielhaft jeweils zwei optische Komponenten in Form einer optischen Linse 211, 212 und eines Filters 221, 222 aufgenommen.
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Ferner umfasst das Bauteil 100 eine Platine in Form einer Leiterplatte 160 als Halterung für auf der Leiterplatte angeordneten Leuchtdioden 171, 172. Die Leiterplatte 160 ist bezüglich des Körpers 101 derart angeordnet, dass jeweils eine Leuchtdiode 171, 172 an einer Öffnung der ersten beziehungsweise der zweiten Ausnehmung 110, 120 platziert sind. Wie in 1 dargestellt, können die Leuchtdioden 171, 172 dabei vorzugsweise in die Ausnehmungen 110, 120 hineinragen, so dass die Leiterplatte 160 bündig an die zweite Oberfläche 104 des Körpers 101 angrenzen kann. Für eine genaue Positionierung der Leiterplatte 160 relativ zum Körper 101 kann das Bauteil Positionsstifte umfassen, welche beispielsweise auf der Leiterplatte 160 angeordnet sind und in Löcher des Körpers 101 aufgenommen werden oder umgekehrt.
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Von den Leuchtdioden 171, 172 ausgesendetes Licht kann somit durch die Ausnehmungen 110, 120 und die darin angeordneten optischen Komponenten 211, 221, 212, 222 treten und in weiterer Folge durch die ersten Öffnungen der Ausnehmungen 110, 120 gegenüberliegenden zweiten Öffnungen aus den Ausnehmungen 110, 120 fokussiert und gefiltert austreten, um beispielsweise Fluorophore in einer biologischen Probe anzuregen.
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Die Ausnehmungen 110, 120, 130, 140 und darin ausgebildete Verankerungen 111, 112, 121, 122 sind dabei in ihrer Geometrie und insbesondere Größe ausgestaltet, um ausgewählte handelsübliche und/oder genormte optische Komponenten 211, 212, 221, 222 aufzunehmen. Das Bauteil hat beispielsweise eine Länge von 10 Zentimeter (cm), eine Breite von 7 cm und eine Tiefe von 2 cm, wobei in diesem Beispiel die Tiefe der Länge der durch das Bauteil gehenden Ausnehmungen 110, 120, 130, 140 entspricht. Die Ausnehmungen 110, 120, 130, 140 haben beispielsweise einen Durchmesser zwischen 5 und 18 Millimeter (mm) , wobei die Stufen 112, 122 den Durchmesser beispielsweise um 1 bis 3 mm verringern.
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3 zeigt ein Flussdiagramm zu einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahren 600 zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils 100 wie beispielsweise in 2 gezeigt. In einem ersten Schritt 601 des Verfahrens wird der massiver Körper 101 bereitgestellt. In einem zweiten Schritt 602 werden die beispielsweise durch den Körper 101 gehenden Ausnehmungen 110, 120 derart erzeugt, dass sie zur Aufnahme optischer Komponenten geeignet sind. In einem bevorzugten dritten Schritt 603 wird die Leiterplatte 160 derart zum Körper 101 platziert, dass die Lichtquellen 171, 172 an den Ausnehmungen 110, 120 angeordnet sind. Für die Positionierung der Leiterplatte 160 relativ zum Körper 101 können bei Bedarf wie oben beschrieben Positionsstifte verwendet werden. Vor dem dritten Schritt 603 kann die Leiterplatte 160 mit den Lichtquellen 171, 172, wie aus dem Stand der Technik bekannt, mit einer Positionsgenauigkeit von maximal 100 Mikrometer automatisiert bestückt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016222075 A1 [0019]
- DE 102016222072 A1 [0019]
