DE10327256B4

DE10327256B4 - Strahlkombinierer

Info

Publication number: DE10327256B4
Application number: DE10327256A
Authority: DE
Inventors: Sean Chang
Original assignee: Delta Electronics Inc
Current assignee: Delta Electronics Inc
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2003-06-17
Publication date: 2009-10-01
Anticipated expiration: 2023-06-18
Also published as: US20040145812A1; DE10327256A1; US6765727B1

Abstract

Strahlkombinierer (10) zum Führen von mehreren Eingangslichtstrahlen (I₁, I₂) zur selben Ausgangsrichtung mit:
– einem Wärmeabführelement (12), und
– mehreren Prismen (14, 16), von denen jedes mit einer stark reflektierenden Beschichtung (18) versehen ist, um jeweils eine Reflexionsfläche (14A, 16A) zu bilden;
– wobei jedes der Prismen (14, 16) über seine Reflexionsfläche (14A, 16A) mit der stark reflektierenden Beschichtung (18) mit dem Wärmeabführelement (12) verbunden ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
(a) Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Strahlkombinierer, spezieller einen Strahlkombinierer mit hoher Wärmeabführrate, dessen Elemente während des Zusammenbaus genau positioniert werden können.
(b) Beschreibung der einschlägigen Technik
Gemäß der 1 verfügt ein Strahlkombinierer 100 über Prismen 102, Lichtleiter 104 und 106, Lichtquellen 108 sowie Reflektoren 110. Wenn von den Lichtquellen 108, die an entgegengesetzten Seiten des Strahlkombinierers 100 positio niert sind, emittiertes Licht direkt oder nach Reflexion durch die Reflektoren 110 in den Lichtleiter 104 eintritt, wird es weiter in die Prismen 102 gelenkt, wo Licht durch verschiedene Flächen derselben reflektiert wird und schließlich im Lichtleiter 106 gesammelt wird. Demgemäß wird ein Strahlkombiniereffekt zum Führen von durch verschiedene Lichtquellen emittiertem Licht in dieselbe Ausgangsrichtung erzielt.
Um den oben genannten Strahlkombiniereffekt zu erzielen, sollen die Laufwege des Eingangslichts in die Prismen 102 den in der 1 dargestellten optischen Pfaden folgen. Unter diesen Umständen sollen die Stirnflächen 104A der Lichtleiter 104 nicht mit den Eingangsflächen 102A der Prismen 102 in Kontakt stehen. D. h., dass notwendigerweise ein Abstand eingehalten wird, wodurch andere Medien wie Luft aufgenommen werden, so dass dort, wo eine Grenzfläche 102A zwischen zwei Medien mit verschiedenen Brechungsindizes vorhanden ist, Totalreflexion auftreten kann. Demgemäß tritt, wenn in den Prismen 102 laufendes Licht auf ein Medium mit niedrigerem Brechungsindex, wie Luft, unter einem Winkel über seinem kritischen Winkel fällt, an der Grenzfläche 102A Totalreflexion auf, und Licht kann in derselben Richtung reflektiert werden.
Bei einem bekannten Verfahren haften die Stirnflächen 104A der Lichtleiter 104 an den Eingangsflächen 102A an, wobei ein Kleber als Medium mit niedrigerem Brechungsindex als dem des Prismas dient. Bei einem anderen bekannten Verfahren wird ein Halteelement (in der Figur nicht dargestellt) dazu verwendet, die Prismen 102 und die Lichtleiter 104 direkt zu positionieren, um weiter den Luftspalt 112 aufrecht zu erhalten.
Jedoch besteht die Tendenz, dass durch die Lichtquellen 108 hoher Leistung erzeugte Wärme die Kleberqualität beeinträchtigt, was dazu führt, dass die Prismen 102 und die Lichtleiter 104 unzufriedenstellend positioniert werden. Ferner besteht unter Verwendung eines Klebers zum Verbinden der Eingangsflächen 102A und der Stirnflächen 104A der Lichtleiter 104 die Tendenz, dass ein Teil des Lichts an den Verbindungsflächen des Klebers entweicht, wodurch die Lichtkopplungseffizienz verringert wird. Auch nimmt der von der Strahlkombinierer-Baugruppe eingenommene Raum deutlich zu, wenn ein Halteelement zum Aufrechterhalten des Luftspalts 112 zwischen den Prismen 102 und den Lichtleitern 104 verwendet wird.
Die US 6,341,876 B1 betrifft ein Beleuchtungssystem und zeigt eine Prismenanordnung, die einen Strahlkombinierer bildet, der die von zwei Lichtquellen von rechts und links kommenden Lichtstrahlen im Wesentlichen jeweils um 90° nach unten ablenkt, um das Licht in einen Lichtleitstab einzukoppeln. Dabei tritt an den als Reflexionsflächen der Prismen dienenden Hypotenuseflächen innere Totalreflexion auf. Auch bei einem weiteren Strahlkombinierer aus Prismen mit konvexen Eingangsoberflächen wird die Umlenkung des einfallenden Lichts in Richtung des Lichtleitstabes durch innere Totalreflexion an den Hypotenuseflächen der Prismen erreicht. Der Lichtleitstab kann dabei mit einer reflektierenden Beschichtung versehen werden, um gewünschte Reflexionseigenschaften zu erhalten.
Die DE 195 18 177 A1 betrifft einen diodenlasergepumpten Festkörperlaser, bei dem ein Festkörperstab für den Festkörperlaser in eine Axialbohrung eines zylinderförmigen Hüllkörpers eingesetzt ist. Die Zylindermantelfläche des Hüllkörpers ist in Umfangsrichtung in sechs Flächenelemente unterteilt, wobei drei ebene Flächenelemente jeweils Einstrahlbereiche bilden, während die anderen drei gekrümmten Flächenelemente Reflexionsflächen bilden.
Diese Reflexionsflächen können durch eine entsprechende Beschichtung des Hüllkörpers gebildet sein. Diese beschichteten Reflexionsflächen dienen gleichzeitig dazu, Verlustwärme durch Wärmeleitung an die Außenumgebung abzugeben. Falls erforderlich können zusätzliche Kühlmaßnahmen vorgenommen und/oder Kühleinrichtungen angeordnet werden, die jedoch nicht näher erläutert sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Daher ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Strahlkombinierer zu schaffen, dessen Elemente genau positioniert werden können und der durch die Lichtquelle erzeugte Wärme effizient abführen kann.
Diese Aufgabe wird durch den Strahlkombinierer nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß der Erfindung verfügt also ein Strahlkombinierer über ein Wärmeabführelement und mehrere Rechteckprismen. Jedes der Prismen ist mit einer stark reflektierenden Beschichtung zum Erzeugen einer Reflexionsfläche versehen, und die Prismen sind über die Reflexionsflächen mit den stark reflektierenden Beschichtungen mit dem Wärmeabführelement verbunden.
Da das Wärmeabführelement so konzipiert ist, dass es die Prismen über die Reflexionsflächen verbindet, ist das Auftreten von Totalreflexion durch genaue Positionierung der Prismen, die den Kontakt mit dem Luftmedium beibehalten, gewährleistet. Im Ergebnis ist ein Lichtleck, wie es durch Prismen hervorgerufen wird, die mit den Lichtleitern oder anderen Elementen in Kontakt gelangen, verhindert, und es ist kein zusätzliches Halteelement zum Positionieren der Lichtleiter erforderlich. Außerdem kann das Wärmeabführelement mit hoher Leitfähigkeit die Wärme in den stark reflektierenden Beschichtungen schnell abführen, und so können die Herstellkosten gesenkt werden, da keine Beschichtungen hoher Qualität mehr erforderlich sind, die hohen Temperaturen Stand halten können.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht eines bekannten Strahlkombinierers.
2 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlkombinierers zeigt.
3 ist eine schematische Ansicht zum Veranschaulichen eines Lichtlecks, wie es von schlechter Positionierung der Prismen herrührt.
4 ist eine schematische Ansicht, die eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt.
5 ist eine schematische Ansicht zum Veranschaulichen einer Modifizierung der in der 4 dargestellten Lichtkondensoreinrichtung.
6 ist eine schematische Ansicht, die noch eine andere Ansicht der Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die 2 ist eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlkombinierers 10 zeigt. Der Strahlkombinierer 10 verfügt über ein Wärmeabführelement 12, ein Prisma 14 und ein Prisma 16. Bei der Ausführungsform sind die Prismen 14 und 16 vorzugsweise Rechteckprismen, und jede Fläche der Prismen ist poliert, um eine glatte Fläche zu bilden.
Gemäß der 2 ist eine schräge Ebene jedes der Prismen 14 und 16 mit einer stark reflektierenden Beschichtung 18, wie einer Aluminium-Titan- oder dielektrischen Beschichtung, versehen, um Reflexionsflächen 14A und 16A zu bilden. Das Wärmeabführelement 12 besteht aus Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie Metallen wie Kupfer. Die Prismen 14 und 16 sind über die Reflexionsflächen 14A und 16A mit stark reflektierenden Beschichtungen mit dem Wärmeabführelement 12 versehen, um so den erfindungsgemäßen Strahlkombinierer 10 aufzubauen.
Für das Verfahren zum Verbinden der Reflexionsflächen 14A und 16A mit dem Wärmeabführelement 12 besteht keine Beschränkung. Zum Beispiel kann jede Verbindung dadurch hergestellt werden, dass die Prismen 14 und 16 am Wärmeabführelement 12 angeklebt werden, oder durch Verlöten oder Verschmelzen einer Metallbeschichtung, die vorab auf den Reflexionsflächen 14A und 16A hergestellt wurde, mit dem Wärmeabführelement 12.
Gemäß der 2 treten ein von den Lichtquellen E₁ emittierter Lichtstrahl I₁ und ein Strahl I₂ von Lichtquellen E₂ an den beiden Seiten des Strahlkombinierers 10, an den Flächen 14A und 16A der Prismen 14 und 16, in ihn ein. Danach werden, da an der Grenzfläche zwischen den Prismen und dem Luftmedium Totalreflexion auftritt, und da die Reflexionsflächen 14A und 16A über stark reflektierende Beschichtungen verfügen, Eingangslichtstrahlen I₁ und I₂ in derselben Ausgangsrichtung gelenkt, um dadurch den Strahlkombiniereffekt zu erzielen. Ferner ist, bei der Ausführungsform, ein Lichtleiter 19 in der Ausgangsrichtung des Lichts positioniert, um die gesammelten Lichtstrahlen aufzunehmen und sie gleichmäßig auf ein Anwendungssystem wie einen Projektor zu verteilen. Der Lichtleiter 19 kann entweder ein massiver oder ein hohler Lichtleiter sein.
Um den oben genannten Strahlkombiniereffekt zu erzielen, müssen alle Flächen der Prismen 14 und 16 mit Ausnahme der mit stark reflektierenden Beschichtungen versehenen Reflexionsflächen mit dem Luftmedium in Kontakt stehen, damit Totalreflexion auftritt. Demgemäß wird das Positionieren der Rechteckprismen 14 und 16 eine entscheidende Aufgabe. Die 3 ist eine schematische Ansicht, die das Auslecken von Licht zeigt, das sich aus schlechter Positionierung ergibt. Gemäß der 3 gelangen die Prismen, wenn sie korrekt positioniert sind, mit anderen Elementen 21 wie den Lichtleitern in Kontakt, so dass die Lichtstrahlen I1, die für Reflexion vom Punkt P zum Punkt Q konzipiert sind, abweichen und stattdessen in die Richtung eines Punkts Q' auslecken.
Es wird davon ausgegangen, dass nur die Flächen 14A und 16A mit stark reflektierenden Beschichtungen nicht mit dem Luftmedium in Kontakt stehen müssen. Aus diesem Grund ist, gemäß der Erfindung, das Wärmeabführelement 12 so konzipiert, dass die Prismen 14 und 16 durch Anschließen der Reflexionsflächen 14A und 16A daran befestigt werden, und so ist das Auftreten von Totalreflexion durch die genaue Positionierung der Prismen gewährleistet, die den Kontakt mit dem Luftmedium aufrecht erhalten. Dann ist es nicht erforderlich, einen Spalt dadurch zu erzeugen, dass, wie beim Stand der Technik, Relativpositionen der Prismen und der Lichtleiter erstellt werden. Im Ergebnis ist ein Lichtleck verhindert, das dadurch verursacht wird, dass die Prismen mit den Lichtleitern oder anderen Elementen in Kontakt gelangen, wie es in der 3 dargestellt ist. Ferner ist es einfach, die Arbeitsvorgänge zum Einbauen des Strahlkombinierers 10 in ein beliebiges An wendungssystem dadurch zu starten, dass ein Ende des Wärmeabführelements 12 während des Zusammenbaus festgehalten wird.
Bei einem Strahlkombinierer mit Kombinationen verschiedener Lichtquellen besteht die Tendenz, dass durch Lichtquellen hoher Leistung erzeugte Wärme die Qualität der stark reflektierenden Beschichtungen 18 beeinträchtigt, und so trat ein Problem dahingehend auf, dass sich die stark reflektierende Beschichtung wegen thermischer Belastung vom Prisma ablöste. Daher wird, gemäß der Erfindung, das oben genannte Problem dadurch verhindert, dass das Wärmeabführelement 12 mit hoher Wärmeleitfähigkeit die Wärme in den stark reflektierenden Beschichtungen 18 schnell ableiten kann. Außerdem können dann die Herstellkosten gesenkt werden, da keine Beschichtungen hoher Qualität mehr erforderlich sind, die hohen Temperaturen Stand halten müssten.
Daher werden, durch das Design gemäß der Erfindung, Effekte erzielt, die die genaue Positionierung während des Zusammenbaus fördern und die Wärmeabfuhr erhöhen.
Abgesehen von den Flächen 14A und 16A mit den stark reflektierenden Beschichtungen kann auch der Rest der Flächen der Prismen 14 und 16 mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen sein, um dadurch die Intensität des durch die Prismen laufenden Lichts zu erhöhen.
Die 4 ist eine schematische Ansicht, die eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt. Gemäß der 4 sind Teilellipsoidreflektoren 24 und 26 an entgegengesetzten Seiten des Strahlkombinierers 40 positioniert, und Lichtquellen 20 und 22 sind in den Brennpunkten M und N der Ellipsoidreflektoren 24 bzw. 26 angeordnet. Auf Grundlage der geometrischen Eigenschaften eines Ellipsoids läuft von einem Brenn- Punkt des Ellipsoids emittiertes Licht durch den anderen Brennpunkt desselben, nachdem es an der Oberfläche des Ellipsoids reflektiert wurde. Demgemäß sollte von den Lichtquellen 20 und 22 emittiertes Licht bei dieser Ausführungsform in den Brennpunkten M' und N' fokussiert werden und dann in die Prismen 14 und 16 eintreten. Schließlich werden die von den Lichtquellen 20 und 22 emittierten Lichtstrahlen in derselben Richtung geführt und an den Lichtleiter 19 ausgegeben, um einen Strahlkombiniereffekt zu erzielen. Die Lichtkondensoreinrichtung zum Bündeln der von den Lichtquellen emittierten Lichtstrahlen kann Ellipsoidreflektoren enthalten, was jedoch nicht der Fall sein muss. Zum Beispiel kann die Lichtkondensoreinrichtung auch eine Kombination von Parabolreflektoren und Kondensorlinsen sein. Gemäß der 5 sind Parabolreflektoren 28 und 30 zusammenwirkend mit Kondensorlinsen 32 und 34 an zwei Seiten der Prismen angeordnet. Wenn die Lichtquellen 20 und 22 in den Brennpunkten X und Y der Parabolreflektoren 28 bzw. 30 angeordnet sind, werden von den Lichtquellen 20 und 22 emittierte Lichtstrahlen über die Parabolreflektoren 28 und 30 kollimiert, und sie laufen dann durch die Kondensorlinsen 32 und 34. Danach werden die Lichtstrahlen an Punkten X' und Y' auf den Prismen 14 und 16 fokussiert, und sie treten ferner in diese ein. Daher wird in ähnlicher Weise ein Strahlkombiniereffekt erzielt.
Darüber hinaus besteht, um nur zu gewährleisten, dass von den Lichtquellen emittierte und auf andere Brennpunkte fokussierte Lichtstrahlen in die Prismen eintreten, für die Positionen der Ellipsoidreflektoren 24 und 26 und der Parabolreflektoren 28 und 30 keine Beschränkung.
Die 6 ist eine schematische Ansicht, die noch eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt. Gemäß der 6 verfügt ein Strahlkombinierer 50 über zwei Sätze paariger Prismen 14, 14' und 16, 16'. Durch eine derartige Prismenanordnung kann eine Lichtkondensoreinrichtung wie Ellipsoidreflektoren 24 und 26 auf derselben Seite, abweichend von den entgegengesetzten Seiten, des Strahlkombinierers 50 positioniert werden, um dadurch den durch die Gesamtkonstruktion des Strahlkombinierers 50 belegten Raum zu verringern.
Während die Erfindung beispielhaft und hinsichtlich der bevorzugten Ausführungsform beschrieben wurde, ist zu beachten, dass sie nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr ist es vorgesehen, verschiedene Modifizierungen und ähnliche Anordnungen abzudecken, wie sie für den Fachmann ersichtlich sind. Daher sollte dem Schutzumfang der beigefügten Ansprüche die weitestgehende Interpretation gewährt werden, um alle derartigen Modifizierungen und ähnliche Anordnungen zu umfassen.

Claims

Strahlkombinierer (10) zum Führen von mehreren Eingangslichtstrahlen (I₁, I₂) zur selben Ausgangsrichtung mit: – einem Wärmeabführelement (12), und – mehreren Prismen (14, 16), von denen jedes mit einer stark reflektierenden Beschichtung (18) versehen ist, um jeweils eine Reflexionsfläche (14A, 16A) zu bilden; – wobei jedes der Prismen (14, 16) über seine Reflexionsfläche (14A, 16A) mit der stark reflektierenden Beschichtung (18) mit dem Wärmeabführelement (12) verbunden ist.
Strahlkombinierer nach Anspruch 1, ferner mit Lichtquellen (E₁, E₂; 20, 22) zum Erzeugen der Eingangslichtstrahlen (I₁, I₂).
Strahlkombinierer nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Prismen (14, 16) Rechteckprismen sind.
Strahlkombinierer nach Anspruch 1, bei dem das Wärmeabführelement (12) aus Metall besteht.
Strahlkombinierer nach Anspruch 1, bei dem die restlichen Flächen der mehreren Prismen (14, 16) abgesehen von den Reflexionsflächen (14A, 16A), mit Antireflexionsbeschichtungen versehen sind.
Strahlkombinierer nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Prismen (14, 16) durch Ankleben mit dem Wärmeabführelement (12) verbunden sind.
Strahlkombinierer nach Anspruch 1, bei dem die mehreren Prismen (14, 16) mit Metallbeschichtungen auf den Reflexionsflächen (14A, 16A) versehen sind.
Strahlkombinierer nach Anspruch 7, bei dem die mehreren Prismen (14, 16) durch Verlöten oder Verschmelzen über die Metallbeschichtungen mit dem Wärmeabführelement (12) verbunden sind.
Strahlkombinierer nach Anspruch 1, ferner mit einem Lichtleiter (19) zum gleichmässigen Führen der Ausgangslichtstrahlen, wobei der Lichtleiter (19) von den mehreren Prismen (14, 16) durch einen Luftspalt getrennt ist.
Strahlkombinierer nach Anspruch 9, bei dem der Lichtleiter (19) ein massiver Lichtleiter ist.
Strahlkombinierer nach Anspruch 9, bei dem der Lichtleiter (19) ein hohler Lichtleiter ist.
Strahlkombinierer nach Anspruch 1, ferner mit einer Lichtkondensoreinrichtung (28, 32, 30, 34; 24, 26).
Strahlkombinierer nach Anspruch 12, bei dem die Lichtkondensoreinrichtung aus Ellipsoidreflektoren (24, 26) besteht.
Strahlkombinierer nach Anspruch 12, bei dem die Lichtkondensoreinrichtung aus einer Kombination von Parabolreflektoren (28, 30) und Kondensorlinsen (32, 34) besteht.
Strahlkombinierer nach Anspruch 12, bei dem die Lichtkondensoreinrichtung an entgegengesetzten Seiten des Strahlkombinierers (10, 40) positioniert ist.
Strahlkombinierer nach Anspruch 12, bei dem die Lichtkondensoreinrichtung auf derselben Seite des Strahlkombinierers (50) angeordnet ist.
Strahlkombinierer nach Anspruch 12 ferner mit mehreren zweiten Prismen (14', 16'), die jeweils benachbart zu einem der mehreren mit dem Wärmeabführelement (12) verbundenen Prismen (14, 16) angeordnet sind.
Strahlkombinierer nach Anspruch 17, bei dem jedes der zweiten Prismen (14', 16') mit einer stark reflektierenden Beschichtung versehen ist, um jeweils eine zweite Reflexionsfläche parallel zur Reflexionsfläche (14A, 16A) des mit dem Wärmeabführelement (12) verbundenen benachbarten Prismas (14, 16) zu bilden.
Strahlkombinierer nach Anspruch 13, ferner mit jeweils einer Lichtquelle (20, 22) in einem Brennpunkt (M, N; R, S) der Ellipsoidreflektoren (24, 26), wobei der jeweils andere Brennpunkt (M', N'; R', S') auf einer Eintritsfläche Prismen (14, 16; 14', 16') liegt.