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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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(a) Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft einen Strahlkombinierer, spezieller einen Strahlkombinierer
mit hoher Wärmeabführrate,
dessen Elemente während
des Zusammenbaus genau positioniert werden können.
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(b) Beschreibung der einschlägigen Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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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.
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Diese
Aufgabe wird durch den Strahlkombinierer nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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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.
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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.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Ansicht eines bekannten Strahlkombinierers.
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2 ist
eine schematische Ansicht, die eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Strahlkombinierers
zeigt.
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3 ist
eine schematische Ansicht zum Veranschaulichen eines Lichtlecks,
wie es von schlechter Positionierung der Prismen herrührt.
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4 ist
eine schematische Ansicht, die eine andere Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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5 ist
eine schematische Ansicht zum Veranschaulichen einer Modifizierung
der in der 4 dargestellten Lichtkondensoreinrichtung.
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6 ist
eine schematische Ansicht, die noch eine andere Ansicht der Erfindung
zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Daher
werden, durch das Design gemäß der Erfindung,
Effekte erzielt, die die genaue Positionierung während des Zusammenbaus fördern und
die Wärmeabfuhr
erhöhen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.