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Die
Erfindung betrifft ein Beleuchtungssystem zum Erzeugen von Licht
und zum Einkoppeln des Lichts in ein proximales Ende eines Lichtleitkabels
einer Beobachtungsvorrichtung für
die Endoskopie oder Mikroskopie, mit einer zumindest eine LED aufweisenden
Lichtquelle, mit einem optischen Lichtleitelement zwischen der Lichtquelle
und dem proximalen Ende des Lichtleitkabels zum Einleiten des von
der Lichtquelle emittierten Lichts in das proximale Ende des Lichtleitkabels,
wobei ein erster Endbereich des Lichtleitelements auf einer der
Lichtquelle zugewandten Seite eine kleinere Querschnittsfläche als
ein zweiter Endbereich des optischen Lichtleitelements auf einer
dem proximalen Ende des Lichtleitkabels zugewandten Seite aufweist,
und mit einer Kühlvorrichtung,
die zumindest einen Kühlkörper aufweist
und die mit der Lichtquelle thermisch leitend verbunden ist, um
von der Lichtquelle erzeugte Wärme
aus dem Beleuchtungssystem abzuführen.
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Unter
einer thermisch leitenden Verbindung ist im Rahmen der vorliegenden
Erfindung ein direkter thermischer Kontakt oder ein indirekter thermischer
Kontakt zwischen der Kühlvorrichtung,
d. h. dem Kühlkörper, und
der Lichtquelle zu verstehen, über
den die von der Lichtquelle erzeugte Wärme wirksam abgeführt werden
kann.
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Ein
solches Beleuchtungssystem wird in der Endoskopie oder Mikroskopie
verwendet, um einen zu beobachtenden Bereich auszuleuchten. Das
Beleuchtungssystem wird im Allgemeinen mittels eines Lichtleitkabels
an ein Endoskop oder ein Mikroskop angeschlossen, in denen die Lichtleitung über eine Lichtleitoptik
in Form von optischen Elementen und/oder Lichtleitern erfolgt. Das
Beleuchtungssystem muss folglich eine ausreichende Lichtleistung bereitstellen,
um den zu beobachtenden Bereich optimal ausleuchten zu können. Aufgrund
der hohen Lichtleistung produziert die Lichtquelle eine hohe Wärmemenge.
Diese von der Lichtquelle erzeugte Wärmemenge muss abgeführt werden,
um die Leistung der Lichtquelle nicht zu beeinträchtigen.
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Aus
der oben genannten
US
2005/0201100 A1 ist ein Beleuchtungssystem bekannt, das
eine LED als Lichtquelle aufweist. Zwischen der LED und einem Lichtleitkabel,
mit dem das Licht zum zu beobachtenden Bereich hingeleitet wird,
ist ein optisches Lichtleitelement in Form einer Linse angeordnet.
Die Linse dient zum Einkoppeln des Lichts in das Lichtleitkabel,
damit Intensitätsverluste
an der Einkoppelstelle zwischen der LED und dem Lichtleitkabel reduziert
werden. Ein erster Endbereich der Linse an der zur LED gewandten
Seite der Linse weist eine kleinere Querschnittsfläche als
ein zweiter Endbereich der Linse auf, der zum Lichtleitkabel hingewandt
ist.
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Ferner
weist das bekannte Beleuchtungssystem eine Kühlvorrichtung auf, die einen
zylinderförmigen
Kühlkörper aufweist,
der von der LED beabstandet ist und der die LED und die Linse zumindest teilweise
umgibt. Die von der LED erzeugte Wärme wird durch die LED-Fassung,
durch eine Kühlplatte, die
an einer der Linse abgewandten Seite der LED angeordnet ist, oder
durch einen Reflektor, in dem die LED aufgenommen ist, zum Kühlkörper abgeführt.
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Ein
Nachteil dieses Beleuchtungssystems ist, dass die von der LED erzeugte
Wärme mittels kleiner
Bauteile, d. h. der LED-Fassung, der Kühlplatte und des Reflektors,
mit denen die Linse in direktem oder indirektem thermischen Kontakt
steht, abgeleitet wird. Aufgrund der großen Wärmeerzeugung der LED erwärmen sich
diese kleinen Bauteile und folglich die Linse stark. Hierdurch ist
eine thermische Stabilität
der Linse nicht gewährleistet,
so dass sich ihre optischen Eigenschaften (Brechzahl o. Ä.) ändern können. Die
beeinträchtigte
Funktionsweise der Linse kann zu einer Verringerung der Lichtleistung des
Beleuchtungssystems führen.
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Ferner
erweist es sich als nachteilig, dass der Kühlkörper räumlich beabstandet von der
Lichtquelle angeordnet ist. Die Wärmeleitung von der Lichtquelle
zum Kühlkörper erfolgt über die
oben genanten kleinen Bauteile, die Engstellen für die Wärmeleitung darstellen, so dass
folglich die von der LED erzeugte Wärmemenge schlecht an den Kühlkörper abgegeben
wird. Diese nicht ausreichende Kühlung beeinträchtigt die
Funktionsweise des Beleuchtungssystems.
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Ein
weiterer Nachteil des Beleuchtungssystems ist seine Bauweise, bei
der die LED und die Linse in dem zylindrischen Kühlkörper aufgenommen sind. Muss
die LED aufgrund ihrer begrenzten Lebenddauer oder die Linse infolge
einer Beschädigung
ausgewechselt werden, so erweisen sich diese Reparaturarbeiten als
besonders zeitaufwändig,
da beide Bauteile nicht frei zugänglich,
sondern in dem Kühlkörper angeordnet
sind.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe
zu schaffen und ein Beleuchtungssystem der eingangs genannten Art
dahingehend weiterzubilden, dass es eine effiziente Kühlung der
Lichtquelle ermöglicht,
ohne dass das optische Lichtleitelement beeinträchtigt wird.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass der Kühlkörper vollständig auf
einer dem optischen Lichtleitelement abgewandten Seite der Lichtquelle
angeordnet ist.
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Das
Anordnen des Kühlkörpers auf
einer dem optischen Lichtleitelement abgewandten Seite der Lichtquelle
ermöglicht
ein Ableiten der von der Lichtquelle erzeugten Wärme außerhalb eines Bereichs, in
dem das optische Lichtleitelement angeordnet ist. Hierdurch tritt
vorteilhafterweise keine thermische Wechselwirkung zwischen der
Kühlvorrichtung und
dem optischen Lichtleitelement auf, so dass sich dessen optische
Eigenschaften (Brechzahl o. A.) auch während des Betriebs des Beleuchtungssystems
nicht ändern.
Auf diese Weise bleibt eine gleichbleibende Lichtleistung des von
der Lichtquelle emittierten und in das Lichtleitkabel eingekoppelten Lichts
erhalten.
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Ein
weiterer Vorteil einer vollständigen
Anordnung des Kühlkörpers auf
einer dem optischen Lichtleitelement abgewandten Seite der Lichtquelle ist,
dass ein Austauschen der Lichtquelle und des optischen Lichtleitelements
besonders einfach und zeitsparend durchgeführt werden kann. Da die Lichtquelle
und das optische Lichtleitelement frei zugänglich und nicht in dem Kühlkörper aufgenommen
sind, wird während
der Reparatur keine zusätzliche
Zeit zum Aus- bzw. Einbauen des Kühlkörpers benötigt.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Lichtquelle, das optische
Lichtleitelement, das proximale Ende des Lichtleitkabels und der
Kühlkörper in einem
gemeinsamen Gehäuse
angeordnet.
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Diese
Maßnahme
hat den Vorteil, dass das Beleuchtungssystem eine kompakte Bauweise
aufweist, die technisch einfach zu realisieren ist. Ferner erweist
sich diese Ausgestaltung des Beleuchtungssystems während des
Betriebs als vorteilhaft, da das Gehäuse des Beleuchtungssystems
nur aus einem Gehäuseteil,
nicht aus mehreren Gehäuseteilen,
besteht, so dass bspw. bei Inbetriebnahme des Beleuchtungssystems
keine Schwierigkeiten auftreten können, die aus einem Zusammenbauen
von mehreren Gehäuseteilen
resultieren.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Kühlkörper thermisch
leitend, insbesondere direkt thermisch leitend, mit dem Gehäuse verbunden.
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Unter
einer thermisch leitenden Verbindung des Kühlkörpers mit dem Gehäuse ist
ein direkter thermischer Kontakt oder ein indirekter thermischer Kontakt
beider Bauteile zu verstehen. Bei einem indirekten thermische Kontakt
sind bspw. zusätzliche wärmeleitende
Bauteile zwischen dem Kühlkörper und
dem Gehäuse
angeordnet.
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Diese
Maßnahme
hat den Vorteil, dass die Wärme
nicht nur über
den Kühlkörper in
das Innere des Beleuchtungssystems abgegeben, sondern ebenfalls über das
Gehäuse
nach außen
abgeleitet wird. Hierdurch entsteht kein Wärmestau innerhalb des Beleuchtungssystems,
so dass die Funktionsweise des Beleuchtungssystems nicht beeinträchtigt wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Kühlkörper als
passive Kühlung,
insbesondere als Heatpipe, ausgebildet.
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Diese
Maßnahme
hat den Vorteil, dass die Kühlung
des Beleuchtungssystems über
Wärmekonvektion
erfolgt. Diese Art der Kühlung
ist ausreichend aus dem Stand der Technik bekannt und vermeidet ferner
zusätzliche
Bauteile, wie z. B. Leitungen, zum Führen einer Kühlflüssigkeit
oder eines Gases zur Lichtquelle. Ferner verringert eine passive
Kühlung die
Gefahr eines Kurzschlusses, der insbesondere durch einen Kontakt
der Kühlflüssigkeit
oder des Gases mit den elektrischen Zuleitungen der Lichtquelle oder
der Lichtquelle selbst auftreten kann.
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Die
Ausgestaltung des Kühlkörpers als
Heatpipe ermöglicht
vorteilhafterweise einen sehr effizienten, aus dem Stand der Technik
bekannten Kühlmechanismus.
Hierbei ist der Kühlkörper als
abgeschlossener Hohlkörper
aus einem wärmeleitfähigen Material,
bspw. Aluminium, ausgebildet, an dessen Innenseite ein kapillar
wirksames, dochtartiges Material angeordnet ist, und der ferner
mit einer Flüssigkeit
unter Eigendruck oder ggf. unter reduziertem Druck befüllt ist.
Wird dem Hohlkörper
an seiner Oberfläche
Wärme zugeführt, beginnt
die in einem Inneren des Höhlkörpers befindliche
Flüssigkeit
zu sieden und geht unter Aufnahme von Wärmeenergie in Dampf über. Dieser
Dampf verteilt sich in dem Hohlkörperinnenraum
und kondensiert unter Wärmeabgabe
an einer kälteren
Stelle der Hohlkörperinnenwand.
Das kapillar wirksame, dochtartige Material nimmt wiederum die kondensierte
Flüssigkeit
auf und transportiert diese zurück
an eine Stelle der Heatpipe, an der Wärme zugeführt wird. Folglich bietet die Heatpipe
einen geschlossenen Kühlkreislauf,
dessen Flüssigkeit
bzw. kondensierter Dampf nicht in das Innere des Gehäuses eintreten
und mit den stromführenden
Bauteilen des Beleuchtungssystems in Kontakt kommen kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das optische Lichtleitelement
elektrisch isolierend ausgebildet.
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Diese
Maßnahme
hat den Vorteil, dass kein Stromfluss von der mit Spannung beaufschlagbaren Lichtquelle
auf das optische Lichtleitelement, d.h. auf das Lichtleitkabel und
das Gehäuse, überführbar ist. Dies
erhöht
die Sicherheit der Person, die das Beleuchtungssystem während bspw.
medizinischen Untersuchungen verwendet. Ferner kann sich das Lichtleitkabel
nicht durch den eingespeisten Strom erwärmen, so dass es nicht durch
Aufheizung in seiner Funktionsweise beeinträchtigt wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das optische Lichtleitelement
als Glaskörper,
insbesondere als Linse, ausgebildet.
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Diese
Maßnahme
ermöglicht
vorteilhafterweise eine ausreichend aus dem Stand der Technik bekannte
Ausgestaltungsform des optischen Lichtleitelements, um das von der
Lichtquelle emittierte Licht in das Lichtleitkabel einzukoppeln.
Ferner ist ein Glaskörper
besonders kostengünstig
herzustellen und gewährleistet
aufgrund seiner geringen elektrischen Leitfähigkeit eine elektrische Isolierung
zwischen der Lichtquelle und dem Lichtleitkabel. Die Linse kann
bspw. als Compound Elliptical Concentrator (CEC) oder als Compound
Hyperbolic Concentrator (CHC) ausgebildet sein.
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In
einer weiteren alternativen Ausgestaltung ist das optische Lichtleitelement
aus optischen Lichtleitfasern aufgebaut.
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Diese
Maßnahme
bietet ebenso eine vorteilhafte Ausgestaltung des optischen Lichtleitelements. Die
Verwendung von Lichtleitfasern vermeidet eine aufwändige Oberflächenform
des Glaskörpers
zur Lichtleitung, da die von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen
durch die Ausrichtung der optischen Lichtleitfasern durch das optischen
Lichtleitelement geleitet werden. Ferner ermöglicht die Verwendung von Lichtleitfasern
ein Ausnutzen der gesamten zur Stirnseite des Lichtleitkabels hingewandten
Oberfläche
des zweiten Endbereichs des optischen Lichtleitelements, um die
Lichtstrahlen in das Lichtleitkabel einzukoppeln.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung verjüngt sich das optische Lichtleitelement
in Richtung zur Lichtquelle hin.
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Diese
Maßnahme
hat den Vorteil, dass die Querschnittsfläche des ersten Endbereichs
des optischen Lichtleitelements optimal an die Querschnittsfläche der
Lichtquelle angepasst werden kann und folglich eine effiziente Einkopplung
des Lichts in das optische Lichtleitelement ermöglicht wird. Ferner werden
die Lichtstrahlen im optischen Lichtleitelement aufgrund seiner
sich zum Lichtleitkabel hin aufweitenden Ausgestaltung aufgeweitet,
so dass die Stirnfläche
des Lichtleitkabels, das gewöhnlicherweise
einen größeren Durchmesser
als die Lichtquelle aufweist, optimal beleuchtet wird.
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Das
optische Lichtleitelement kann zwischen seinen beiden Endbereichen
eine Einschnürung
aufweisen.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das optische Lichtleitelement
kegelstumpfartig ausgebildet.
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Diese
Maßnahme
ermöglicht
eine vorteilhaft einfache Bauweise des sich verjüngenden optischen Lichtleitelements,
die technisch einfach realisierbar ist. Wird bspw. zusätzlich auf
die Außenfläche des optischen
Lichtleitelements eine reflektierende Schicht zur Verringerung eines
Intensitätsverlust
des Lichts im optischen Lichtleitelement aufgebracht, so kann dies
besonders einfach erfolgen, da die Außenfläche des optischen Lichtleitelements
glatt und ohne Wölbung
ausgestaltet ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das optische Lichtleitelement
birnenförmig
ausgebildet, wobei die optischen Lichtleitfasern im ersten Endbereich
des optischen Lichtleitelements zur Lichtquelle hin gerichtet sind.
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Diese
Maßnahme
hat den Vorteil, dass die Lichtstrahlen, die von der annähernd punktförmigen Lichtquelle
(LED) radial nach außen
emittiert werden, mittels der zur Lichtquelle hinweisenden Lichtleitfasern
optimal in das optische Lichtleitelement eingekoppelt werden können, so
dass ein Lichtintensitätsverlust
zwischen der Lichtquelle und dem optischen Lichtleitelement verringert
wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist eine numerische Apertur
des ersten Endbereichs des optischen Lichtleitelements größer als
eine numerische Apertur des zweiten Endbereichs des optischen Lichtleitelements.
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Diese
Maßnahme
hat den Vorteil, dass das von der Lichtquelle emittierte, divergente
Licht nach Durchlauf durch das optische Lichtleitelement in einen
weniger divergenten Lichtstrahl umgewandelt wird, der dann ohne
wesentlichen Intensitätsverlust in
das optische Lichtleitkabel eingekoppelt werden kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das optische Lichtleitelement
von der Lichtquelle geringfügig
beabstandet angeordnet.
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Diese
Maßnahme
hat den Vorteil, dass diese geringfügig beabstandete Anordnung
des Lichtleitelements von der Lichtquelle eine weitere elektrische Isolation
des optischen Lichtleitelements von der Lichtquelle bereitstellt.
Hierdurch wird eine Beschädigung
des optischen Lichtleitelements vermieden und es verringert sich
ferner eine Gefahr für
die das Beleuchtungssystem verwendende Person.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Endbereich
des optischen Lichtleitelements zumindest teilweise auf die Lichtquelle
geklebt.
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Diese
Maßnahme
hat den Vorteil, dass beim Einkoppeln des Lichts kein Lichtintensitätsverlust zwischen
der Lichtquelle und dem optischen Lichtleitelement auftritt. Ferner
kann eine zusätzliche
Streuung der von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahlen an zwischen
der Lichtquelle und dem optischen Lichtleitelement befindlichen
Luftmolekülen
reduziert werden, die eine noch größere Divergenz der Lichtstrahlen
erzeugen würde.
Ist die Lichtquelle geringfügig vom
optischen Lichtleitelement beabstandet angeordnet, kann dieser Abstand
mit dem Kleber gefüllt sein.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Beleuchtungssystem
ein elektrisch isolierendes Halteelement auf, in dem das optische
Lichtleitelement angeordnet ist.
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Diese
Maßnahme
ermöglicht
vorteilhafterweise eine weitere Isolation der mit Spannung beaufschlagbaren
Lichtquelle von dem optischen Lichtleitelement und dem Gehäuse des
Beleuchtungssystems, so dass ebenfalls eine Personengefahr verringert
wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das Beleuchtungssystem
eine Buchse auf, durch die das proximale Ende des Lichtleitkabels
in das Beleuchtungssystern eingeführt wird.
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Diese
Maßnahme
hat den Vorteil, dass eine technisch einfach zu realisierende Möglichkeit
bereitgestellt wird, das Lichtleitkabels reproduzierbar in das Beleuchtungssystem
einzuführen
und in die für eine
Einkopplung des Lichts günstige
Position zu bringen.
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Weitere
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und der beigefügten
Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang
mit der beiliegenden Zeichnung näher
beschrieben und erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Beleuchtungssystems;
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2 eine
detaillierte Darstellung des Beleuchtungssystems in 1;
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3 eine
Lichtquelle des Beleuchtungssystems in 2 in Alleinstellung;
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4A–4D verschiedene
Ausführungsbeispiele
eines optischen Lichtleitelements in
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1;
und
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5 das
Beleuchtungssystem in 1, während es mit einem Endoskop
verbunden ist.
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In 1 und 2 ist
ein mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehenes Beleuchtungssystem
dargestellt, wobei gleiche, gleichartige oder vergleichbare Bauteile
dasselbe Bezugszeichen aufweisen. Weitere Einzelheiten des Beleuchtungssystems 10 sind
in 3 und 4A–4D dargestellt.
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Das
Beleuchtungssystem 10 wird bspw. in der Endoskopie oder
Mikroskopie zur Ausleuchtung eines zu beobachtenden Bereiches verwendet.
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Das
Beleuchtungssystem 10 weist ein Gehäuse 12 auf, in dem
eine Lichtquelle 14, ein optisches Lichtleitelement 16 und
eine Kühlvorrichtung 18 angeordnet
sind.
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Die
Lichtquelle 14 ist thermisch leitend mit der Kühlvorrichtung 18,
d.h. mit einem wärmeleitfähigen Kühlkörper 20,
verbunden, wobei unter einer thermisch leitenden Verbindung eine
direkte oder indirekte thermische Kopplung der beiden Bauteile zu verstehen
ist. Der Kühlkörper 20 ist
an einer vom optischen Lichtleitelement 16 abgewandten
Seite der Lichtquelle 14 angeordnet, wobei die Lichtquelle 14 vorzugsweise
direkt am Kühlkörper 20 angeordnet ist,
so dass von der Lichtquelle 14 erzeugte Wärme direkt
an den Kühlkörper 20 abgegeben
und von diesem abgeführt
werden kann. Der Kühlkörper 20 ist ferner
thermisch leitend mit dem Gehäuse 12 verbunden,
so dass die vom Kühlkörper 20 aufgenommene Wärme an das
Gehäuse 12 abgeführt werden
kann. Der Kühlkörper 20 ist
bezüglich
seiner Abmessungen groß gegenüber der
Lichtquelle 14 ausgebildet, so dass der Kühlkörper 20 effizient
die von der Lichtquelle 14 erzeugte Wärme aufnehmen und abführen kann.
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Ein
proximales Ende 22 eines Lichtleitkabels 24, das
bspw. mit einem Endoskop (vgl. 5) verbunden
ist, ist durch eine in einer Öffnung 26 des
Gehäuses 12 angeordneten
Buchse 28 in das Gehäuse 12 eingeführbar bzw.
das proximale Ende 22 des Lichtleitkabels 24 kann
in einem eingeführten
Zustand fest im Beleuchtungssystem 10 angeordnet sein.
Das proximale Ende 22 des Lichtleitkabels 24 kommt
derart in dem Gehäuse 12 zu
liegen, dass eine Stirnfläche 30 des
proximalen Endes 22 des Lichtleitkabels 24 in
Richtung der Lichtquelle 14 weist und nahe von dieser beabstandet
angeordnet ist. Zwischen der Stirnfläche 30 des proximalen
Endes 22 des Lichtleitkabels 24 und der Lichtquelle 14 ist das
elektrisch isolierende optische Lichtleitelement 16 angeordnet,
das durch ein elektrisch isolierendes Halteelement 32 in
dem Gehäuse 12 gehalten
wird.
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Gemäß 2 ist
in der Öffnung 26 die
Buchse 28 angeordnet, um das proximale Ende 22 des Lichtleitkabels 24 in
das Gehäuse 12 des
Beleuchtungssystems 10 einzuführen. Die Buchse 28 ist
als kurzes, zylindrisches Hohlrohr mit einer ringförmigen Verbreiterung 34 ausgebildet,
die dazu dient, die Buchse 28 am Gehäuse 12 zu befestigen.
In der Buchse 28 ist formschlüssig eine Fassung 36 angeordnet,
die ebenfalls als zylindrisches Hohlrohr ausgebildet ist. Ein erster
Endbereich 38 der Fassung 36, der außerhalb
der Buchse 28, d.h. außerhalb
des Gehäuses 12,
angeordnet ist und durch den das proximale Ende 22 des
Lichtleitkabels 24 in das Gehäuse 12 eingeführt wird,
ist ringförmig
verbreitert. Ein zweiter Endbereich 40 der Fassung 36 weist
eine vollumfängliche
Vertiefung 42 auf, deren Durchmesser größer als ein Innendurchmesser
der Fassung 36 ausgebildet ist. In die Vertiefung 42 ist
ein erster Abschnitt 44 einer Scheibe 46 formschlüssig aufgenommen.
Ein zweiter ringförmiger
Abschnitt 48 der Scheibe 46 weist einen größeren Außendurchmesser
als der erste Abschnitt 44 der Scheibe 46 und
als die Fassung 36 auf, so dass er über die Fassung 36 hinausragt.
Die Scheibe 46 weist ferner einen zylindrischen Durchgang 50 auf,
dessen Innendurchmesser etwa einem Innendurchmesser der Fassung 36 entspricht.
In dem Durchgang 50 der Scheibe 46 ist das optische
Lichtleitelement 14 (nicht dargestellt) angeordnet.
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Das
in 1 gezeigte Halteelement 32 ist hier als
die Fassung 36 und die Scheibe 46 ausgebildet,
wobei beide Bauteile aus einem elektrisch isolierenden Material,
bspw. Kunststoff, hergestellt sind.
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Die
Lichtquelle 14 ist von einer Stirnseite 52 des
zweiten Abschnitts 48 der Scheibe 46 beabstandet
angeordnet und rückwärtig durch
eine Schraube 54 mit dem Kühl körper 20 verbunden,
wobei die Schraube 54 bspw. als M3-Gewinde ausgebildet
sein kann. Zu Stabilisationszwecken und zur Aufrechterhaltung eines
Abstands zwischen der Lichtquelle 14 und des zweiten Abschnitts 48 der
Scheibe 46 sind umfänglich
verteilt Bolzen 56 durch den zweiten Endbereich 40 der
Fassung 36, den zweiten Abschnitt 48 der Scheibe 46,
die Lichtquelle 14 und die Kühlvorrichtung 16 gesteckt.
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Die
Kühlvorrichtung 18 ist
vorzugsweise als passive Kühlung
ausgebildet und arbeitet über
eine Wärmekonvektion
zwischen der Lichtquelle 14 und dem Kühlkörper 20. Sie weist
zur Ableitung der von der Lichtquelle 14 erzeugten Wärme den
wärmeleitenden
Kühlkörper 20 auf,
der auf der vom optischen Lichtleitelement 16 abgewandten
Seite der Lichtquelle 14 angeordnet ist. Der Kühlkörper 20 weist
ferner zur Erhöhung
der Wärmeableitung
abstehende Rippen 58 auf, die sich zu ihren freien Enden
hin verjüngen.
Die Rippen 58 sind derart voneinander beabstandet, dass
in Zwischenflächen 60 Schrauben 62 angeordnet
sind, mit denen der Kühlkörper 20 an dem
Gehäuse 12 befestigt
ist.
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Die
von der Lichtquelle 14 erzeugte Wärme wird über den direkten Kontakt zwischen
der Lichtquelle 14 und dem Kühlkörper 20 sowie über die Schraube 54 an
den Kühlkörper 20 abgegeben.
Die dem Kühlkörper 20 zugeführte Wärme verteilt
sich entlang des Kühlkörpers 20 und
wird von diesem an das Gehäuse 12 abgegeben.
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Die
Kühlvorrichtung 18 kann
ebenfalls als Heatpipe ausgebildet sein, wobei der Kühlkörper 20 hierzu
als abgeschlossener Hohlkörper
aus einem wärmeleitfähigen Material,
bspw. Aluminium, ausgebildet ist. An einer Innenseite des Hohlkörpers ist
ein kapillar wirksames, dochtartiges Material angeordnet. Der Hohlkörper ist
ferner mit einer Flüssigkeit
unter Eigendruck oder ggf. unter einem reduzierten Druck befüllt. Wird
einer Oberfläche
der Heatpipe Wärme
von der Lichtquelle 14 zugeführt, so beginnt die in einem
Inneren der Heatpipe befindliche Flüssigkeit zu sieden und geht
unter Aufnahme von Wärmeenergie
in Dampf über.
Dieser Dampf verteilt sich in dem Hohlkörper und kondensiert unter
Wärmeabgabe
an einer kälteren
Stelle einer Innenwand der Heatpipe. Das kapillar wirksame, dochtartige
Material nimmt wiederum die kondensierte Flüssigkeit auf und transportiert
diese zurück
an eine Stelle der Heatpipe, an der Wärme zugeführt wird. Die Heatpipe bildet
daher einen geschlossenen Kühlkreislauf,
mit dem das Beleuchtungssystem 10 effizient gekühlt werden
kann.
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Das
proximale Ende 22 des Lichtleitkabels 24 kann
durch einen Fixiermechanismus in der Fassung 36 gehalten
werden. Hierzu ist ein Verschlusshebel 64 an der Fassung 36 angeordnet,
mittels dem bspw. das proximale Ende 22 des Lichtleitkabels 24 eingeklemmt
werden kann.
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Die
Lichtquelle 14 ist bspw., wie in 3 dargestellt,
als herkömmliche
OSTAR®-Lighting Lichtquelle
der Firma Osram ausgebildet. Diese Lichtquelle weist einen flachen,
hexagonalen Aluminiummetallkörper 66 auf,
an dessen jeweiligen Ecken je eine Aussparung 68 ausgebildet
ist. Durch diese Aussparungen 68 sind die Bolzen 56 durchsteckbar.
Auf dem Metallkörper 66 sind
sechs auf einer Keramikscheibe 70 montierte GaN-LEDs 72 angeordnet,
die Licht im weißen
Spektralbereich abstrahlen. Die LEDs 72 sind über entsprechende
Kontakte 74 auf dem Metallkörper 66 elektrisch
kontaktierbar.
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4A–4D zeigen
verschieden Ausgestaltungen des optischen Lichtleitelements 16.
Das optische Lichtleitelement 16 weist einen ersten Endbereich 76 auf,
dessen Querschnittsfläche 78 kleiner als
eine Querschnittsfläche 80 eines
zweiten Endbereichs 82 des optischen Lichtleitelements 16 ausgebildet
ist. Das optische Lichtleitelement 16 ist derart in dem
Beleuchtungssystem 10 aufgenommen, dass der erste Endbereich 76 zur
Lichtquelle 16 hinweist, während der zweite Endbereich 82 zur
Stirnfläche 30 des
proximalen Endes 22 des Lichtleitkabels 24 gerichtet
ist (siehe 1).
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Ferner
kann das optische Lichtleitelement 16 kegelstumpfartig
(siehe 4A, 4B) oder
auch birnenförmig
(siehe 4C, 4D) ausgebildet sein,
wobei eine beliebige Querschnittsfläche des optischen Lichtleitelements 16 zwischen
den beiden Endbereichen 76, 82 bspw. parabolisch,
elliptisch, hyperbolisch, kreisförmig
oder konisch ist. Vorzugsweise ist das optische Lichtleitelement 16 als
Compound Elliptical Concentrator (CEC) oder als Compound Hyperbolic
Concentrator (CHC) ausgebildet.
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Das
optische Lichtleitelement 16 verjüngt sich vom zweiten Endbereich 82 zum
ersten Endbereich 76. Ferner kann das optische Lichtleitelement 16 eine
Einschnürung 84 zwischen
dem ersten Endbereich 76 und dem zweiten Endbereich 82 aufweisen
(siehe 4C). Eine Querschnittsfläche 86 im Bereich
der Einschnürung 84 ist
kleiner als die Querschnittsfläche 80 des
zweiten Endbereichs 82 sowie kleiner bzw. größer als
die Querschnittsfläche 78 des ersten
Endbereichs 70 ausgebildet.
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Ferner
kann der erste Endbereich 76 des optischen Lichtleitelements 16 eine
Vertiefung 88 aufweisen, in der die LED 72 zumindest
teilweise aufgenommen werden kann. Die Vertiefung 88 kann
bspw. in Form einer Oberfläche
eines Kugelsegments (mit Radius R, siehe 4B), zylinderförmig oder
auch würfelförmig (siehe 4D)
zur zumindest teilweisen Aufnahme der LED 72 ausgebildet
sein, wobei eine Querschnittsfläche 90 der
Vertiefung 88 kleiner als die Querschnittsfläche 78 des
ersten Endbereichs 76 des optischen Lichtleitelements 16 ausgebildet
sein kann. Der zweite Endbereich 82 des optischen Lichtleitelements 16 kann
in Richtung zum proximalen Ende 22 des Lichtleitkabels 24 hingewölbt sein
(siehe 4B), wobei er bspw. wabenartig
oder glatt geformt sein kann.
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Das
optische Lichtleitelement 16 ist vorzugsweise als Glaskörper 92,
insbesondere als Linse, ausgebildet (siehe 4D). In
einer alternativen Ausgestaltung ist das optische Lichtleitelement 16 aus
optischen Lichtleitfasern 94 aufgebaut. Die optischen Lichtleitfasern 94 können im
ersten Endbereich 76 des optischen Lichtleitelements 16 zur
Lichtquelle 14 hin gerichtet sein. Ferner können sich
die optischen Lichtleitfasern 94 zum ersten Endbereich 76 hin
verjüngen.
Wie in 4D dargestellt, ist eine numerische
Apertur des ersten Endbereichs 76 des optischen Lichtleitelements 16 größer als
eine numerische Apertur des zweiten Endbereichs 82 des
optischen Lichtleitelements 16 ausgebildet, so dass ein Eintrittswinkel Θ1 eines Lichtstrahls 96, der von
der Lichtquelle 14 emittiert wird, größer als ein Austrittswinkel Θ2 ist. Hierbei ist Θ1, Θ2 ein Zwischenwinkel zwischen einer Normalen 98, 100 und
einer Oberfläche 102, 104 des
ersten Endbereichs 76 bzw. des zweiten Endbereichs 82.
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Das
optische Lichtleitelement 16 ist, da es aus Glas bzw. aus
Glasfasern ausgebildet ist, elektrisch isolierend, so dass keine
Ströme
von der mit Spannung beaufschlagbaren Lichtquelle 14 auf
das optische Lichtleitelement 16 und das proximale Ende 22 des
Lichtleitkabels 24 bzw. das Gehäuse 12 übertreten
können.
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Das
optische Lichtleitelement 16 kann geringfügig beabstandet
von der Lichtquelle 14 angeordnet sein, wobei der Abstand
vorzugsweise 2/10 mm bis 4/10 mm betragen kann. Das optische Lichtleitelement 16 kann
ebenfalls mittels eines transmittierenden Klebers zumindest teilweise
auf die Lichtquelle 14 aufgeklebt sein, um eine Lichtstreuung
an Luftmolekülen
zwischen der Lichtquelle 14 und dem optischen Lichtleitelement 16 zu
verringern. Hierbei kann der Abstand zwischen der Lichtquelle und
dem optischen Lichtleitelement mit dem Kleber gefüllt sein.
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Wie
in 5 dargestellt, wird das Beleuchtungssystems 10 während eines
Betriebs über
das Lichtleitkabel 24 bspw. mit einem Anschluss 106 des Endoskops 108 verbunden,
um das von der Lichtquelle 14 emittierte Licht über das
Lichtleitkabel 24 und eine Lichtleitoptik, die in dem Endoskop 108 aufgenommen
ist (nicht dargestellt), zu dem zu beleuchtenden Bereich zu führen. Während des
Betriebs kann das Beleuchtungssystems 10 auf einer Halterung 110,
bspw. einem Rack, angeordnet sein.