WO2006032160A1 - Illumination source - Google Patents

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WO2006032160A1
WO2006032160A1 PCT/CH2005/000552 CH2005000552W WO2006032160A1 WO 2006032160 A1 WO2006032160 A1 WO 2006032160A1 CH 2005000552 W CH2005000552 W CH 2005000552W WO 2006032160 A1 WO2006032160 A1 WO 2006032160A1
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illumination source
illumination
source according
light
emitting diodes
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PCT/CH2005/000552
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Reinhard Jenny
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Volpi Ag
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
    • G02B6/4296—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with sources of high radiant energy, e.g. high power lasers, high temperature light sources
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/0001—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems
    • G02B6/0005—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings specially adapted for lighting devices or systems the light guides being of the fibre type
    • G02B6/0006—Coupling light into the fibre

Definitions

  • the present invention relates to a lighting source according to the preamble of claim 1.
  • An ⁇ An ⁇ .
  • High Power 3 to 5 watts usually have a beam angle of about 140 °, resulting in the direct illumination of objects or in the coupling in optical fibers with a capture aperture of about 60 ° to substantial Lichtveriusten ,
  • EP-1'452797 proposes to equip a single LED with a small parabolic mirror system.
  • the luminous efficacy can be substantially improved, however, such equipped LED's are not suitable for use in a multiple source LED illumination source, especially because these LED's lead to an unevenly illuminated image area.
  • US-20040170019 describes a light source arrangement in which the LEDs arranged on a printed circuit and arranged in a row are sunk in a tapered groove.
  • the radiation angle can be reduced perpendicular to the course of the groove, i. the light loss can be reduced a bit.
  • this arrangement is not suitable for generating a point-like illumination source, as required for example for one of the above-mentioned applications and in particular for the light coupling into an optical fiber.
  • an illumination source with high light output and for fiber optic applications is described for example in DE-102'45'526.
  • the light of several LEDs which are preferably in the form of a monolithic LED linear array are coupled by means of a micro-optics array and a collection optics in an optical fiber.
  • the light power to be coupled can be optimized, but also this arrangement leads to an unevenly illuminated image area.
  • the illumination source according to the invention has a plurality of high-performance light-emitting diodes and is provided with a lens arrangement with a plurality of capture lenses for capturing and bundling the beam cone of each individual high-performance light-emitting diode.
  • a collecting optics serves to focus the individual ray bundles into a common spot-shaped illumination spot of an injection point for an optical fiber. To optimize the light power input and to homogenize the luminosity of the illumination spot are the individual
  • High-power LEDs arranged inclined to a central imaging axis.
  • the illumination source according to the invention is designed and dimensioned such that the Scheimpflug condition for the imaging of the luminous area of each of the obliquely arranged high-performance light-emitting diodes into the illumination spot is fulfilled.
  • the Scheimpflug condition for a distortion-free imaging of an object tilted to an optical axis is well known to anyone skilled in the field of optics and is not the subject of the present invention.
  • the inclined high-power LEDs are inclined at an angle of 8 ° to the central imaging axis and at least 6 concentrically arranged high-power LEDs are provided.
  • this embodiment has a high-performance light-emitting diode arranged on the central imaging axis.
  • the collection optics has for each beam has its own acting as a partial pupil Fresnel lens, which focuses this beam in the illumination spot.
  • the illumination source according to the invention is designed and dimensioned such that the envelope of the focused beam bundles has a convergence angle K which corresponds to the acceptance angle ⁇ of an optical fiber attached to the coupling-in point, in particular approximately 60 °. It is understood that the high-performance LEDs are operated continuously or pulsed depending on the application, resp. have different emission characteristics.
  • the illumination source according to the invention with its high-power light-emitting diodes arranged in a rosette-shaped and inclined manner relative to the imaging axis, proves to be a surprisingly simple solution to the technical problems described above.
  • FIG. 1 Schematic representation of the beam guidance of an illumination source according to the invention
  • Figure 2 Schematic representation of an inventive arrangement of high-performance LEDs
  • FIG. 3 shows a plan view of an illumination source according to the invention
  • Figure 4 side elevation of an inventive illumination source.
  • the illumination source 1 shown schematically in FIG. 1 has a plurality of high-power light-emitting diodes 2, which are arranged on a common holding plate with a cooling plate. Behind this heat sink H, a fan V may be provided.
  • a lens arrangement 3 serves for fixing and orientation of several capture lenses 6. These capture lenses 6 are arranged and dimensioned such that the beam cones of each individual high-power light-emitting diode 2 are captured and continued as individual beam bundles 5 parallel to a central imaging axis a become.
  • a collecting optics 4 focuses each of these bundles 5 on a common illumination.
  • the high-power light-emitting diodes 2 are arranged uniformly distributed on the adhesive plate H, preferably in the manner of a rosette.
  • one of these high-power light-emitting diodes 2 advantageously lies on the imaging axis a, while the other high-power light emitting diodes 2, preferably 6 high-performance light emitting diodes 2, are arranged concentrically around this central imaging axis a, as can be seen schematically from FIG.
  • the concentrically arranged high-power LEDs 2 are arranged inclined to the central imaging axis a.
  • this angle of inclination to the imaging axis a is approximately 8 ° and the illumination source 1 is designed and dimensioned such that the Scheimpflug condition for imaging the illuminated area of each of the inclined high-power LEDs 2 in the illumination spot B is fulfilled.
  • the collecting optics 4 has its own Fresnel lens acting as a partial pupil, which focuses this bundle of rays into the illumination spot B for each bundle of rays.
  • the illumination source is designed and dimensioned such that the envelope of the focused beam has a convergence angle which corresponds to the acceptance angle ⁇ of the optical fiber, in particular approximately 60 °. It is understood that depending on the use of the illumination source 1, the individual high-power LEDs 2 can be operated continuously or pulsed.
  • the holding plate H with the high-performance light-emitting diodes 2 mounted thereon is exchangeable with another holding plate H 'on which high-power light-emitting diodes 2 with a different emission characteristic, in particular for a different wavelength range, for example blue or red, are arranged.
  • FIG. 3 shows a preferred embodiment of an illumination source 1 according to the invention in plan view.
  • the holding plate H with the high-power LEDs 2 arranged thereon is clearly visible.
  • a spacer 10 carries the Linsenanord ⁇ tion 3 with multiple capture lenses 6.
  • a cooling element K for discharging the heat generated by the high-power LEDs 2 is provided on the back of the illumination source.
  • This cooling element K can be exchanged in a simple manner together with the holding plate H and the high-power LEDs 2 arranged thereon.
  • the collection optics 4 can be adjusted with the Fresnel lens arrangement with the collimated beam path of the capture lenses 6.
  • the optical fiber injection point E is positioned so that the common illumination spot B of the focused beam falls on the end portion of the optical fiber F.
  • the same illumination source as in FIG. 3 can be seen in a side view in FIG.
  • the cooling element K, the holding plate H and the high-performance light-emitting diodes 2 mounted thereon can be removed in a simple manner from the rest of the housing, during which the multi-aperture arrangement with the capture lenses 6 and the collection optics 4 are fastened to the housing supports 11 in an adjustable manner. Between the coupling point E and the collection optics 4, but outside of the beam path, the electronics for the power of the high-power LEDs 2 is housed.
  • the advantages of the present illumination source will be readily apparent to those skilled in the art, and are particularly limited in the high light-launching efficiency and the generation of a homogeneous, i. see unstructured illumination source for optical fibers.
  • the use of high-performance light-emitting diodes with a service life of approximately 100,000 hours (conventional lighting sources with halogen lamps generally have a service life of approximately 1,000 hours) leads to a low-maintenance illumination source.
  • the present illumination source also allows the efficient coupling of light in commercial Lichtwellen ⁇ leiter (step or gradient fiber) with relatively small cross-section, or in fiber bundles or liquid optical waveguide with, for example, 6, 8 or 10mm cross-section. Particularly advantageous is the simple conversion and Aus ⁇ exchangeability of the holding plate.
  • the present illumination source is in the area of normal technical action.
  • further optical elements can be introduced into the radiation path of the present illumination source, in particular filter elements and / or additional lenses for the change of the light intensity, the spectral distribution or for the further homogenization of the punctiform illumination spot.
  • the high-performance light-emitting diodes can be operated continuously or pulsed, depending on the use of the illumination source.

Abstract

The invention relates to an illumination source (1), for an optical fibre (F), said illumination source (1) comprising a number of high power diodes (2). A lens arrangement (3) comprises several capture lenses (6) and thus traps the beam cone of the individual high power light diodes (2), converges the same and leads the same to a converging lens (4). Said converging lens (4) focuses the individual beams (5) on a common illumination point (B). In order to optimise the homogenisation of the illumination power at the illumination point (B), individual high power light diodes (2) are tilted towards a central imaging axis (a).

Description

BeleuchtungsguejleBeleuchtungsguejle
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungsquelle gemäss Oberbegriff des An¬ spruchs 1.The present invention relates to a lighting source according to the preamble of claim 1. An¬.
Auf dem Gebiet der modernen Mikroskopie, wie sie heute bei der automatisierten Inspektion (Machine Vision) in industriellen Fertigungsprozessen, bei der Überwachung technischer - Anlagen (Turbinen), bei der Video-Fluoreszenz-Mikroskopie und Fluoreszenzspektroskopie in der Biotechnologie und Medizin zur Anwendung kommt, auf dem Gebiet der automatisier¬ ten Sensorik in der Automobiltechnik und im Verkehrswesen, sowie ganz allgemein auf dem Gebiet des „Digital Imaging" (Kamera- und Videotechnik) werden zunehmend elektronische Lichtquellen, insbesondere Hochleistungs-Leuchtdioden als Lichtquellen verwendet. Diese Hochleistungs-LED's („High Power", 3 bis 5 Watt) weisen in der Regel einen Abstrahlwinkel von ca. 140° auf, was bei der direkten Beleuchtung von Objekten oder bei der Einkopplung in Lichtwellenleiter mit einer Einfang-Apertur von ca. 60° zu substantiellen Lichtveriusten führt. Um trotzdem die in obengenannten Gebieten erforderlichen Lichtleistungen aufbringen zu können ist es bekannt mehrere LED's gleichzeitig für die Beleuchtung desselben Objekts einzusetzen und/oder geeignete Mittel für die Bündelung des abgestrahlten Lichtes zu verwenden.In the field of modern microscopy, as used today in automated machine vision in industrial manufacturing processes, in the monitoring of technical equipment (turbines), in video fluorescence microscopy and fluorescence spectroscopy in biotechnology and medicine, In the field of automated sensor technology in automobile technology and in transportation, and more generally in the field of "digital imaging" (camera and video technology), electronic light sources, in particular high-performance light-emitting diodes, are increasingly being used as light sources. "High Power", 3 to 5 watts) usually have a beam angle of about 140 °, resulting in the direct illumination of objects or in the coupling in optical fibers with a capture aperture of about 60 ° to substantial Lichtveriusten , In order nevertheless to be able to apply the light powers required in the abovementioned fields, it is known to use a plurality of LEDs simultaneously for illuminating the same object and / or to use suitable means for bundling the radiated light.
So wird beispielsweise in der EP-1 '452797 vorgeschlagen, eine einzelne LED mit einem kleinen Parabolspiegelsystem auszurüsten. Damit kann die Lichtausbeute substantiell verbessert werden, jedoch eignen sich derartig ausgerüstete LED's nicht für die Verwendung in einer mehrere LED's umfassenden Beleuchtungsquelle, insbesondere, weil diese LED's dabei zu einer ungleichmässig ausgeleuchteten Bildfläche führen.For example, EP-1'452797 proposes to equip a single LED with a small parabolic mirror system. Thus, the luminous efficacy can be substantially improved, however, such equipped LED's are not suitable for use in a multiple source LED illumination source, especially because these LED's lead to an unevenly illuminated image area.
In der US-20040170019 wird eine Lichtquellen-Anordnung beschrieben, bei welcher die auf einer gedruckten Schaltung und in einer Reihe angeordneten LED's in einer sich verjüngen¬ den Rille versenkt angeordnet sind. Damit kann der Abstrahlwinkel senkrecht zum Verlauf der Rille verkleinert werden, d.h. kann der Lichtverlust etwas reduziert werden. Diese Anordnung eignet sich jedoch nicht zur Erzeugung einer punktförmigen Beleuchtungsquelle, wie sie beispielsweise für eine der oben genannten Anwendungen und insbesondere für die Lichteinkopplung in eine optische Faser erforderlich ist.US-20040170019 describes a light source arrangement in which the LEDs arranged on a printed circuit and arranged in a row are sunk in a tapered groove. Thus, the radiation angle can be reduced perpendicular to the course of the groove, i. the light loss can be reduced a bit. However, this arrangement is not suitable for generating a point-like illumination source, as required for example for one of the above-mentioned applications and in particular for the light coupling into an optical fiber.
Eine Beleuchtungsquelle mit hoher Lichtleistung und für faseroptische Anwendungen wird beispielsweise in der DE-102'45'526 beschrieben. Bei dieser Anordnung wird das Licht mehrerer LED's, welche vorzugsweise in Form eines monolithischen LED-Linear-Array angeordnet sind, mit Hilfe eines Mikrooptik-Arrays und einer Sammeloptik in eine optische Faser eingekoppelt. Damit kann die einzukoppelnde Lichtleistung optimiert werden, jedoch führt auch diese Anordnung zu einer ungleichmässig ausgeleuchteten Bildfläche.An illumination source with high light output and for fiber optic applications is described for example in DE-102'45'526. In this arrangement, the light of several LEDs, which are preferably in the form of a monolithic LED linear array are coupled by means of a micro-optics array and a collection optics in an optical fiber. Thus, the light power to be coupled can be optimized, but also this arrangement leads to an unevenly illuminated image area.
Keine der bekannten Beleuchtungsquellen eignen sich für eine effiziente und homogene Objektbeleuchtung, wie sie in der modernen Mikroskopie und auf den Gebieten des „digital imaging" und der „machine vision" erwünscht ist.None of the known illumination sources are suitable for efficient and homogeneous object illumination, as desired in modern microscopy and in the fields of "digital imaging" and "machine vision".
Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine mehrere Hochleistungs- Leuchtdioden umfassende Beleuchtungsquelle für optische Fasern zu schaffen, welche sowohl eine optimale Lichtleistungseinkopplung als auch eine gleichmässige Ausleuchtung der Bildfläche gewährleistet, d.h. insbesondere die Abstrahlcharakteristik der Lichtquellen- Anordnung optimal nutzt und homogenisiert.It is therefore an object of the present invention to provide an optical fiber illumination source comprising a plurality of high performance light emitting diodes which ensures both optimum light power input and uniform illumination of the image area, i. in particular optimally utilizes and homogenizes the emission characteristic of the light source arrangement.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch eine Beleuchtungsqueile mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Insbesondere weist die erfindungsgemässe Beleuchtungsquelle eine Mehrzahl Hochleistungs-Leuchtdioden auf und ist mit einer Linsenanordnung mit mehreren Einfanglinsen zum Einfangen und Bündeln des Strahlenkegels jeder einzelnen Hochleistungs-Leuchtdioden versehen. Eine Sammeloptik dient der Fokussierung der einzelnen Strahlenbündel in einen gemeinsamen punktförmigen Beleuchtungsfleck einer Einkopplungsstelle für eine optische Faser. Zur Optimierung der Lichtleistungseinkopplung und zur Homogenisierung der Leuchtkraft des Beleuchtungsflecks sind die einzelnenThis object is achieved according to the invention by a lighting source with the features of claim 1. In particular, the illumination source according to the invention has a plurality of high-performance light-emitting diodes and is provided with a lens arrangement with a plurality of capture lenses for capturing and bundling the beam cone of each individual high-performance light-emitting diode. A collecting optics serves to focus the individual ray bundles into a common spot-shaped illumination spot of an injection point for an optical fiber. To optimize the light power input and to homogenize the luminosity of the illumination spot are the individual
Hochleistungs-Leuchtdioden zu einer zentralen Abbildungsachse geneigt angeordnet. Die erfindungsgemässe Beleuchtungsquelle ist derart gestaltet und dimensioniert, dass die Scheimpflugbedingung für die Abbildung der Leuchtfläche von jeder der geneigt angeordne¬ ten Hochleistungs-Leuchtdioden in den Beleuchtungsfleck erfüllt ist. Die Scheimpflugbedin- gung für eine verzerrungsfrei Abbildung eines zu optischen Achse geneigten Objekts ist jedem Fachmann auf dem Gebiet der Optik hinlänglich bekannt und ist nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung.High-power LEDs arranged inclined to a central imaging axis. The illumination source according to the invention is designed and dimensioned such that the Scheimpflug condition for the imaging of the luminous area of each of the obliquely arranged high-performance light-emitting diodes into the illumination spot is fulfilled. The Scheimpflug condition for a distortion-free imaging of an object tilted to an optical axis is well known to anyone skilled in the field of optics and is not the subject of the present invention.
Weiterbildungen der erfindungsgemässen Beleuchtungsquelle weisen die Merkmale der Unteransprüche auf. So sind in einer bevorzugten Ausführungsform dieser Beleuchtungs¬ quelle die geneigt angeordneten Hochleistungs-Leuchtdioden mit einem Winkel von 8° gegen die zentrale Abbildungsachse geneigt und sind mindestens 6 konzentrisch angeord¬ nete Hochleistungs-Leuchtdioden vorgesehen. Darüberhinaus weist diese Ausführungsform eine auf der zentralen Abbildungsachse angeordnete Hochleistungs-Leuchtdiode auf. Bei der vorliegenden Beleuchtungsquelle ist für jeden Strahlenkegel eine Einfanglinsen vorgesehen, wobei die Einfang-Apertur A jeder einzelnen Einfanglinse ca. A = 0.6 beträgt. Diese Einfang- linsen kollimieren den auftreffenden Strahlenkegel, d.h. bündeln die eingefangenen Licht¬ strahlen derart, dass diese zwischen der Einfanglinse und der Sammeloptik parallel zur zentralen Abbildungsachse verlaufen. Die Sammeloptik weist für jedes Strahlenbündel eine eigene als Teilpupille wirkende Fresnel-Linse aufweist, welche dieses Strahlenbündel in den Beleuchtungsfleck fokussiert. Die erfindungsgemässe Beleuchtungsquelle ist dabei derart gestaltet und dimensioniert, dass die Einhüllende der fokussierten Strahlenbündel einen Konvergenzwinkel K aufweist, welcher dem Akzeptanzwinkel α einer an der Einkopplungs- stelle befestigten optischen Faser entspricht, insbesondere ca. 60° ist. Es versteht sich, dass die Hochleistungs-Leuchtdioden je nach Anwendungsgebiet kontinuierlich oder gepulst betrieben sind, resp. unterschiedliche Abstrahlcharakteristiken aufweisen.Further developments of the inventive illumination source have the features of the subclaims. Thus, in a preferred embodiment of this illumination source, the inclined high-power LEDs are inclined at an angle of 8 ° to the central imaging axis and at least 6 concentrically arranged high-power LEDs are provided. Moreover, this embodiment has a high-performance light-emitting diode arranged on the central imaging axis. In the present illumination source, a capture lens is provided for each beam cone, wherein the capture aperture A of each individual capture lens is approximately A = 0.6. These capture lenses collimate the incident beam cone, ie bundle the captured light beams in such a way that they extend parallel to the central imaging axis between the capture lens and the collection optics. The collection optics has for each beam has its own acting as a partial pupil Fresnel lens, which focuses this beam in the illumination spot. The illumination source according to the invention is designed and dimensioned such that the envelope of the focused beam bundles has a convergence angle K which corresponds to the acceptance angle α of an optical fiber attached to the coupling-in point, in particular approximately 60 °. It is understood that the high-performance LEDs are operated continuously or pulsed depending on the application, resp. have different emission characteristics.
Die erfindungsgemässe Beleuchtungsquelle mit ihren rosettenförmig und zur Abbildungs¬ achse geneigt angeordneten Hochleistungs-Leuchtdioden erweist sich als eine überraschend einfache Lösung der oben beschriebenen technischen Probleme.The illumination source according to the invention, with its high-power light-emitting diodes arranged in a rosette-shaped and inclined manner relative to the imaging axis, proves to be a surprisingly simple solution to the technical problems described above.
Die vorliegende Erfindung soll im Folgenden mit Hilfe der Figuren und anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Dabei zeigen:The present invention will be explained in more detail below with the aid of the figures and with reference to an embodiment. Showing:
Figur 1: Schematische Darstellung der Strahlenführung einer erfindungsgemässen Beleuch¬ tungsquelle; " .FIG. 1: Schematic representation of the beam guidance of an illumination source according to the invention; " .
Figur 2: Schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Anordnung der Hochleistungs- Leuchtdioden;Figure 2: Schematic representation of an inventive arrangement of high-performance LEDs;
Figur 3: Aufsicht auf eine erfindungsgemässe Beleuchtungsquelle;FIG. 3 shows a plan view of an illumination source according to the invention;
Figur 4: Seitenriss einer erfindungsgemässen Beleuchtungsquelle.Figure 4: side elevation of an inventive illumination source.
Die in Figur 1 schematisch dargestellte Beleuchtungsquelle 1 weist eine Mehrzahl Hoch¬ leistungs-Leuchtdioden 2 auf, welche auf einer gemeinsamen Halteplatte mit Kühlblech angeordnet sind. Hinter diesen Kühlblech H kann ein Ventilator V vorgesehen sein. Eine Linsenanordnung 3 dient der Fixierung und Orientierung mehrerer Einfang-Linsen 6. Diese Einfang-Linsen 6 sind derart angeordnet und dimensioniert, dass die Strahlenkegel jeder einzelnen Hochleistungs-Leuchtdiode 2 eingefangen werden und als individuelle Strahlen¬ bündel 5 parallel zu einer zentralen Abbildungsachse a weitergeführt werden. Eine Sammel- optik 4 fokussiert jedes einzelne dieser Strahlenbündel 5 auf einen gemeinsamen Beleuch- tungsfleck B. Erfindungsgemäss sind die Hochleistungs-Leuchtdioden 2 auf der Hafteplatte H gleichmässig verteilt angeordnet, vorzugsweise rosettenartig angebracht. Dabei liegt vorteilhafterweise eine dieser Hochleistungs-Leuchtdioden 2 auf der Abbildungsachse a, während die anderen Hochleistungs-Leuchtdioden 2, vorzugsweise 6 Hochleistungs- Leuchtdioden 2, konzentrisch um diese zentrale Abbildungsachse a angeordnet sind, wie aus Figur 2 in schematischer Weise ersichtlich. Um die Leistungseinkopplung zu optimieren und die Leuchtkraft des Beleuchtungsflecks B zu homogenisieren, sind die konzentrisch angeordneten Hochleistungs-Leuchtdioden 2 zur zentralen Abbildungsachse a geneigt angeordnet. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt dieser Neigungswinkel zur Abbildungsachse a ca. 8° und ist die Beleuchtungsquelle 1 derart gestaltet und dimensio¬ niert, dass die Scheimpflugbedingung für die Abbildung der Leuchtfläche jeder einzelnen der geneigt angeordneten Hochleistungs-Leuchtdioden 2 in den Beleuchtungsfleck B erfüllt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Hochleistungs-Leuchtdioden 2 mit 3-5 Watt Leistung verwendet und beträgt die Einfang-Apertur A jeder einzelnen Einfanglinse 6 ca. A = 0,6. Die Sammeloptik 4 weist für jedes Strahlenbündel eine eigene als Teilpupille wirkende Fresnel-Linse auf, welche dieses Strahlenbündel in den Beleuchtungsfleck B fokussiert. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Beleuchtungsquelle derart gestaltet und dimensi¬ oniert, dass die Einhüllende der fokussierten Strahlenbündel einen Konvergenzwinkel aufweist, welcher dem Akzeptanzwinkel α der optischen Faser entspricht, insbesondere ca. 60° ist. Es versteht sich, dass je nach Verwendung der Beleuchtungsquelle 1 die einzelnen Hochleistungs-Leuchtdioden 2 kontinuierlich oder gepulst betrieben sein können. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Halteplatte H mit den darauf angebrachten Hoch¬ leistungs-Leuchtdioden 2 in einfacherWeise mit einer anderen Halteplatte H' auswechselbar, auf welcher Hochleistungs-Leuchtdioden 2 mit einer anderen Abstrahlcharakteristik, insbe¬ sondere für einen anderen Wellenlängenbereich, bspw. blau oder rot, angeordnet sind.The illumination source 1 shown schematically in FIG. 1 has a plurality of high-power light-emitting diodes 2, which are arranged on a common holding plate with a cooling plate. Behind this heat sink H, a fan V may be provided. A lens arrangement 3 serves for fixing and orientation of several capture lenses 6. These capture lenses 6 are arranged and dimensioned such that the beam cones of each individual high-power light-emitting diode 2 are captured and continued as individual beam bundles 5 parallel to a central imaging axis a become. A collecting optics 4 focuses each of these bundles 5 on a common illumination. According to the invention, the high-power light-emitting diodes 2 are arranged uniformly distributed on the adhesive plate H, preferably in the manner of a rosette. In this case, one of these high-power light-emitting diodes 2 advantageously lies on the imaging axis a, while the other high-power light emitting diodes 2, preferably 6 high-performance light emitting diodes 2, are arranged concentrically around this central imaging axis a, as can be seen schematically from FIG. In order to optimize the power input and to homogenize the luminosity of the illumination spot B, the concentrically arranged high-power LEDs 2 are arranged inclined to the central imaging axis a. In a preferred embodiment, this angle of inclination to the imaging axis a is approximately 8 ° and the illumination source 1 is designed and dimensioned such that the Scheimpflug condition for imaging the illuminated area of each of the inclined high-power LEDs 2 in the illumination spot B is fulfilled. In a preferred embodiment, high power LEDs 2 having 3-5 watt power are used and the capture aperture A of each individual capture lens 6 is approximately A = 0.6. The collecting optics 4 has its own Fresnel lens acting as a partial pupil, which focuses this bundle of rays into the illumination spot B for each bundle of rays. In a preferred embodiment, the illumination source is designed and dimensioned such that the envelope of the focused beam has a convergence angle which corresponds to the acceptance angle α of the optical fiber, in particular approximately 60 °. It is understood that depending on the use of the illumination source 1, the individual high-power LEDs 2 can be operated continuously or pulsed. In a preferred embodiment, the holding plate H with the high-performance light-emitting diodes 2 mounted thereon is exchangeable with another holding plate H 'on which high-power light-emitting diodes 2 with a different emission characteristic, in particular for a different wavelength range, for example blue or red, are arranged.
Figur 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Beleuchtungs¬ quelle 1 in der Aufsicht. In dieser Figur ist die Halteplatte H mit den darauf angeordneten Hochleistungs-Leuchtdioden 2 gut ersichtlich. Ein Abstandshalter 10 trägt die Linsenanord¬ nung 3 mit mehreren Einfanglinsen 6. Auf der Rückseite der Beleuchtungsquelle ist ein Kühlelement K zum Abführen der von den Hochleistungs-Leuchtdioden 2 erzeugten Wärme vorgesehen. Dieses Kühlelement K kann gemeinsam mit der Halteplatte H und den darauf angeordneten Hochleistungs-Leuchtdioden 2 in einfacher Weise ausgewechselt werden. Mit Hilfe von Gehäuseträgern 11 kann die Sammeloptik 4 mit der Fresnel-Linsen-Anordnung mit dem kollimierten Strahlengang der Einfanglinsen 6 justiert werden. Die Einkopplungsstelle E für eine optische Faser ist derart positioniert, dass der gemeinsame Beleuchtungsfleck B der fokussierten Strahlenbündel auf das Endstück der optischen Faser F fällt. Dieselbe Beleuchtungsquelle, wie in Figur 3 ist in Figur 4 in einer Seitenansicht ersichtlich. Das Kühlelement K, die Halteplatte H und die darauf befestigten Hochleistungs- Leuchtdioden 2 lassen sich in einfacher Weise vom restlichen Gehäuse entfernen, während dem die Multi-Apertur-Anordnung mit den Einfanglinsen 6 sowie die Sammeloptik 4 an den Gehäuseträgern 11 justierbar befestigt sind. Zwischen der Einkopplungsstelle E und der Sammeloptik 4, jedoch aussemalb des Strahlengangs, ist die Elektronik für die Speisung der Hochleistungs-Leuchtdioden 2 untergebracht.FIG. 3 shows a preferred embodiment of an illumination source 1 according to the invention in plan view. In this figure, the holding plate H with the high-power LEDs 2 arranged thereon is clearly visible. A spacer 10 carries the Linsenanord¬ tion 3 with multiple capture lenses 6. On the back of the illumination source, a cooling element K for discharging the heat generated by the high-power LEDs 2 is provided. This cooling element K can be exchanged in a simple manner together with the holding plate H and the high-power LEDs 2 arranged thereon. With the help of housing supports 11, the collection optics 4 can be adjusted with the Fresnel lens arrangement with the collimated beam path of the capture lenses 6. The optical fiber injection point E is positioned so that the common illumination spot B of the focused beam falls on the end portion of the optical fiber F. The same illumination source as in FIG. 3 can be seen in a side view in FIG. The cooling element K, the holding plate H and the high-performance light-emitting diodes 2 mounted thereon can be removed in a simple manner from the rest of the housing, during which the multi-aperture arrangement with the capture lenses 6 and the collection optics 4 are fastened to the housing supports 11 in an adjustable manner. Between the coupling point E and the collection optics 4, but outside of the beam path, the electronics for the power of the high-power LEDs 2 is housed.
Die Vorteile der vorliegenden Beleuchtungsquelle sind dem Fachmann unmittelbar ersichtlich und sind insbesondere in der hohen Lichteinkopplungseffizienz und der Erzeugung einer homogenen, d.h. unstrukturierten Beleuchtungsquelle für optische Fasern zu sehen. Die Verwendung von Hochleistungs-Leuchtdioden mit einer Lebensdauer von ca. 100'0OO h (konventionelle Beleuchtungsquellen mit Halogen-Leuchten weisen in der Regel eine Lebensdauer von ca. 1000 h auf) führt zu einer wartungsarmen Beleuchtungsquelle. Die vorliegende Beleuchtungsquelle erlaubt darüber hinaus die effiziente Einkopplung von Licht in handelsübliche Lichtwelleπleiter (Stufen- oder Gradientenfaser) mit verhältnismässig kleinem Querschnitt, oder in Faserbündel oder Flüssig-Lichtwellenleiter mit bspw. 6, 8 oder 10mm Querschnitt. Als besonders vorteilhaft erweist sich die einfache Umrüst- und Aus¬ tauschbarkeit der Halteplatte.The advantages of the present illumination source will be readily apparent to those skilled in the art, and are particularly limited in the high light-launching efficiency and the generation of a homogeneous, i. see unstructured illumination source for optical fibers. The use of high-performance light-emitting diodes with a service life of approximately 100,000 hours (conventional lighting sources with halogen lamps generally have a service life of approximately 1,000 hours) leads to a low-maintenance illumination source. The present illumination source also allows the efficient coupling of light in commercial Lichtwellenπleiter (step or gradient fiber) with relatively small cross-section, or in fiber bundles or liquid optical waveguide with, for example, 6, 8 or 10mm cross-section. Particularly advantageous is the simple conversion and Aus¬ exchangeability of the holding plate.
Weiterbildungen der vorliegenden Beleuchtungsquelle liegen im Bereich des normalen technischen Handelns. So können beispielsweise weitere optische Elemente in den Strah¬ lengang der vorliegenden Beleuchtungsquelle eingebracht werden, insbesondere Filterele¬ mente und/oder Zusatzlinsen für die Änderung der Lichtintensität, der spektralen Verteilung oder zur weiteren Homogenisierung des punktförmigen Beleuchtungsflecks. Es versteht sich, dass die Hochleistungs-Leuchtdioden je nach Verwendung der Beleuchtungsquelle kontinu¬ ierlich oder gepulst betrieben werden können. Further developments of the present illumination source are in the area of normal technical action. Thus, for example, further optical elements can be introduced into the radiation path of the present illumination source, in particular filter elements and / or additional lenses for the change of the light intensity, the spectral distribution or for the further homogenization of the punctiform illumination spot. It goes without saying that the high-performance light-emitting diodes can be operated continuously or pulsed, depending on the use of the illumination source.

Claims

Patentansprüche claims
1. Beleuchtungsquelle für eine optische Faser (F) mit einer Mehrzahl Hochleistungs- Leuchtdioden (2), mit einer Linsenanordnung (3) mit mehreren Einfanglinsen (6) zum Einfangen und Bündeln des Strahlenkegels jeder einzelnen Hochleistungs- Leuchtdioden (2), mit einer Sammeloptik (4) zur Fokussierung der einzelnen Strah- lenbündel (5) in einen gemeinsamen Beleuchtungsfleck (B) einer Einkopplungsstelle1. An illumination source for an optical fiber (F) with a plurality of high-performance light-emitting diodes (2), with a lens arrangement (3) with a plurality of capture lenses (6) for capturing and bundling the beam cone of each individual high-performance light-emitting diodes (2), with a collection optics (4) for focusing the individual beam bundles (5) into a common illumination spot (B) of a coupling-in point
(E) für eine optische Faser (F) dadurch gekennzeichnet, dass zur Optimierung der Leistungseinkopplung und zur Homogenisierung der Leuchtkraft des Beleuchtungs¬ flecks (B) einzelne Hochleistungs-Leuchtdioden (2) geneigt zu einer zentralen Abbil¬ dungsachse (a) angeordnet sind.(E) for an optical fiber (F) characterized in that in order to optimize the power input and to homogenize the luminosity of the Beleuchtungs¬ stain (B) individual high-power LEDs (2) inclined to a central Abbil¬ tion axis (a) are arranged.
2. Beleuchtungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuch¬ tungsquelle (1) derart gestaltet und dimensioniert ist, dass die Scheimpflugbedingung für die Abbildung der Lichtquellenfläche von jeder der geneigt angeordneten Hoch¬ leistungs-Leuchtdioden (2) in den Beleuchtungsfleck (B) erfüllt ist.2. Illumination source according to claim 1, characterized in that the illumination source (1) is designed and dimensioned in such a way that the Scheimpflug condition for imaging the light source surface of each of the inclined high-performance light-emitting diodes (2) into the illumination spot (B ) is satisfied.
3. Beleuchtungsquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die geneigt angeordneten Hochleistungs-Leuchtdioden (2) mit einem Winkel von 8° gegen die zentrale Abbildungsachse (a) geneigt sind.3. illumination source according to claim 2, characterized in that the inclined arranged high-power LEDs (2) are inclined at an angle of 8 ° to the central imaging axis (a).
4. Beleuchtungsquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuch¬ tungsquelle (1) mindestens 6 konzentrisch angeordnete Hochleistungs-Leuchtdioden (2) umfasst.4. Illumination source according to claim 3, characterized in that the illumination source (1) comprises at least 6 concentrically arranged high-power light-emitting diodes (2).
5. Beleuchtungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuch- tungsquelle (1) eine auf der zentralen Abbildungsachse (a) zentral angeordnete5. Illumination source according to claim 1, characterized in that the illumination source (1) has a central image axis (a) arranged centrally
Hochleistungs-Leuchtdiode (2) aufweist.High-performance light-emitting diode (2).
6. Beleuchtungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfanglin¬ sen (6) eine Multi-Apertur-Anordnung bilden, wobei die Einfang-Apertur A jeder ein- zelnen Einfanglinse (6) ca. A = 0.6 beträgt.6. Illumination source according to claim 1, characterized in that the capture lenses (6) form a multi-aperture arrangement, wherein the capture aperture A of each individual capture lens (6) is approximately A = 0.6.
7. Beleuchtungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese derart gestaltet und dimensioniert ist, dass die Strahlenfuhrung zwischen jeder der Einfang¬ linsen (6) und der Sammeloptik (4) parallel zur zentralen Abbildungsachse (a) ver- läuft. 7. illumination source according to claim 1, characterized in that it is designed and dimensioned such that the Strahlenfuhrung between each of the Einfang¬ lenses (6) and the collection optics (4) parallel to the central imaging axis (a) runs.
8. Beleuchtungsquelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelop¬ tik (4) für jedes Strahlenbündel (5) eine eigene als Teilpupille wirkende Fresnel-Linse aufweist, welche dieses Strahlenbündel (5) in den Beleuchtungsfleck B fokussiert.8. illumination source according to claim 7, characterized in that the collecting optics (4) for each beam (5) has its own acting as a partial pupil Fresnel lens, which focuses this beam (5) in the illumination spot B.
9. Beleuchtungsquelle nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einhüllende der fokussierten Strahlenbündel (5) einen Konvergenzwinkel K aufweist, welcher dem9. illumination source according to claim 8, characterized in that the envelope of the focused beam (5) has a convergence angle K, which the
Akzeptanzwinkel α einer an der Einkopplungsstelle (E) befestigten optischen Faser (F) entspricht, insbesondere ca. 60° ist.Acceptance angle α corresponds to an optical fiber (F) attached to the coupling-in point (E), in particular approximately 60 °.
10. Beleuchtungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hoch- leistungs-Leuchtdioden (2) kontinuierlich oder gepulst betrieben sind. 10. Illumination source according to claim 1, characterized in that the high-power light emitting diodes (2) are operated continuously or pulsed.
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