WO2011045189A2 - Led-modul, verfahren zum betreiben dieses led-moduls und beleuchtungsvorrichtung mit diesem led-modul - Google Patents

Led-modul, verfahren zum betreiben dieses led-moduls und beleuchtungsvorrichtung mit diesem led-modul Download PDF

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  • the light fiber bundles which are used as light guides for the Endo ⁇ spectroscopy, boroscopy and microscopy, ha-ben typically a diameter of less than five millimeters and a numerical aperture of typically 0.5 to 0.7.
  • ha-ben typically a diameter of less than five millimeters and a numerical aperture of typically 0.5 to 0.7.
  • typical luminance 80 - 10 6 cd / m and more he ⁇ required.
  • a replacement of conventional LED-based lamps requires a compact LED arrangement with a very high luminance.
  • Fig. A lighting device with an inventive ⁇ LED module and an elongated Lichtlei- ter.

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Abstract

Bei einem LED-Modul (2) wird die für Lichtleiteranwendungen wie Endoskopie, Boroskopie und Mikroskopie notwendige hohe Leuchtdichte von typisch 80 ⋅ 106 cd/m 2 und mehr durch mindestens einen LED-Chip (9) erreicht, der für einen Betriebsstrom von mindestens 1,4 Ampere ausgelegt ist. Die LED-Chipfläche beträgt vorzugsweise mehr als 1,5 mm2. Außerdem können erforderlichenfalls zwei oder mehr LED-Chip zu einem LED-Array dicht gepackt sein. Das von dem mindestens einen LED-Chip (9) emittierte Licht wird mit Hilfe eines Lichtkopplers (4) in einen länglichen Lichtleiter (5) gekoppelt.

Description

Beschreibung
LED-Modul, Verfahren zum Betreiben dieses LED-Moduls und Beleuchtungsvorrichtung mit diesem LED-Modul
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Modul mit einem oder mehreren Leuchtdioden-Chips, im Folgenden verkürzend als LED-Modul (LED: Licht emittierende Diode) bezeichnet. Der Begriff Leuchtdioden-Chip bezeichnet hier den Licht erzeugenden Teil einer LED.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Beleuchtungsvorrichtung mit diesem LED-Modul, wobei diese Beleuchtungsanord- nung mit dem LED-Modul für die Verwendung mit länglichen Lichtleitern vorgesehen ist. Hierzu zählen insbesondere faseroptische Anwendungen unter anderem für medizinische oder industrielle Diagnostik, Überwachung und Operation wie beispielsweise Endoskopie, Boroskopie und Mikrosko- pie.
Stand der Technik
Bisher wurden sowohl für Endoskope als auch Boroskope überwiegend Halogen- oder Entladungslampen, insbesondere Xenon-Entladungslampen mit einer Leistung von ca. 100 bis 300 W eingesetzt. Um die Wärmebelastung durch das aus dem Endoskop bzw. Boroskop austretende Licht dieser Lampen zu reduzieren, werden Infrarotfilter zwischen Lampe und Lichtleiter eingesetzt. Außerdem wird das Licht der Lampen über geeignete Reflektoren auf die Eintrittsfläche des länglichen Lichtleiters fokussiert. Die dabei erziel- bare hohe Leuchtdichte auf der Eintrittsfläche ist für die Funktionalität des Systems entscheidend.
Die Lichtfaserbündel, die als Lichtleiter für die Endo¬ skopie, Boroskopie und Mikroskopie eingesetzt werden, ha- ben typischerweise einen Durchmesser von weniger als fünf Millimeter und eine numerische Apertur von typisch 0,5 bis 0,7. Außerdem sind für die vorgenannten Verwendungszwecke typische Leuchtdichten von 80 - 106 cd/m und mehr er¬ forderlich. Ein Ersatz konventioneller Lampen auf der Ba- sis von LED setzt eine kompakte LED-Anordnung mit einer sehr hohen Leuchtdichte voraus.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein LED- Modul anzugeben, das für die Lichteinkopplung in dünnen Lichtleitern geeignet ist, insbesondere in Faseroptiken. Eine weiterer Aspekt der Erfindung ist es, auf der Basis dieses LED-Moduls eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem Lichtkoppler bereit zu stellen, die am Eingang eines länglichen Lichtleiters, beispielsweise eines Faserbün¬ dels oder Flüssigkeitslichtleiters, eine ausreichend hohe Leuchtdichte, insbesondere für Endoskopie, Boroskopie und Mikroskopie, erzielt.
Außerdem wird Schutz begehrt für ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen LED-Moduls sowie auf die Verwendung desselben für Endoskope, Boroskope und Mikro- skope.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein LED-Modul mit mindes¬ tens einem Leuchtdioden (LED) -Chip, der auf einem Träger angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindes¬ tens eine LED-Chip für den Betrieb mit einer Stromstärke von mindestens 1,4 Ampere ausgelegt ist.
Hinsichtlich der Beleuchtungsvorrichtung, des Betriebs- verfahren und der Verwendung des erfindungsgemäßen LED- Moduls wird auf die jeweiligen darauf gerichteten unab¬ hängigen Ansprüche verwiesen.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen. Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, bei einem LED-Modul die für Lichtleiteranwendungen wie Endoskopie, Boroskopie und Mikroskopie notwendige hohe Leuchtdichte von typisch 80 - 106c<i/m2 und mehr durch mindestens einen LED-Chip zu erreichen, der für einen Betriebsstrom von mindestens 1,4 Ampere ausgelegt ist.
Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Fläche des Chips der mindestens einen LED mindestens 1,5 mm2 beträgt. Für einige Lichtleiter-Anwendungen kann es zudem vorteilhaft sei, zwei oder mehr LED-Chips dicht ne- beneinander zu einem Array anzuordnen, um auf diese Weise eine entsprechend große Licht emittierende Fläche zu er¬ halten .
Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass der LED-Chip direkt auf dem Träger angeordnet ist. Dadurch lässt sich die Wärmeabfuhr vom LED-Chip verbessern, da der Träger vorzugsweise aus einem besonders gut Wärme leitenden Materi¬ al, beispielsweise Kupfer, besteht. Zudem ist der LED- Träger vorzugsweise auf einem Kühlkörper angeordnet, der die Verlustwärme der LED(s) besonders gut an die Umgebung oder ein Kühlmittel abgibt. Ferner ist es bevorzugt, dass der einzelne LED-Chip weder ein Gehäuse noch eine Primäroptik aufweist. Dadurch lassen sich auch zwei oder mehrere LED-Chips relativ dicht nebeneinander zu einem LED- Array anordnen (Multi-Chip on Board Technologie) . Dabei kann es zum Schutz vor äußeren Einflüssen eventuell vorteilhaft sein, das LED-Array insgesamt mit einem Gehäuse oder einer Schutzschicht, einem Schutzglas oder ähnlichem zu versehen. Generell werden erfindungsgemäß LED-Chips vom Oberflä- chenstrahlertyp bevorzugt, bei dem der ganz überwiegende Teil, typisch mehr als 90%, über die obere Deckfläche des LED-Chip abgestrahlt wird. Dabei handelt es sich insbe¬ sondere um LED-Chips in Dünnfilmtechnologie (wie bei- spielsweise OSRAM ThinGaN®) . Es sind LED-Chips bevorzugt, die mittels Leuchtstoffkonversion Licht mit einer spektralen Halbwertsbreite von größer oder gleich 50 nm insbesondere auch weißes Licht emittieren, beispielsweise LEDs vom Typ ultraweiß oder warmweiß von der Firma OSRAM Opto Semiconductor . Prinzipiell kommen je nach Anwendungsge¬ biet nicht nur für das menschliche Auge sichtbares Licht sondern auch Ultraviolett (UV) - oder Infrarot ( IR) - Strahlung emittierende LED-Chips in Betracht.
Eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung weist das vorstehend beschriebene LED-Modul sowie einen Lichtkopp- ler auf. Der Lichtkoppler ist beispielsweise als nichtab- bildendes optisches Element ausgebildet und weist eine Einkoppelfläche und eine Auskoppelfläche auf. Dabei ist der Lichtkoppler in Bezug auf das LED-Modul so angeordnet ist, dass das von der LED bzw. dem LED-Array im Betrieb emittierte Licht in die Einkoppelfläche des Lichtkopplers einkoppelt .
In einer Weiterbildung ist die Einkoppelfläche des Licht¬ kopplers kleiner als die Auskoppelfläche. Um Einkoppel- Verluste möglich gering zu halten kann es vorteilhaft sein, die Einkoppelfläche des Lichtkopplers rechteckig zu formen und auf die LED-Chipfläche bzw. die Gesamtfläche des LED-Arrays anzupassen. Zur weiteren Verringerung der Einkoppelverluste kann die Einkoppelfläche und/oder die Auskoppelfläche mit einer Antireflexschicht versehen sein. Um mit dem erfindungsgemäßen LED-Modul im Betrieb eine für viele faseroptische Anwendungen wie Endoskopie, Boroskopie oder Mikroskopie notwendige Leuchtdichte von
80-106cd/m und mehr erreichen zu können ist es vorgese- hen, den mindestens einen LED-Chip oder gegebenenfalls jeden LED-Chip des LED-Arrays mit einem Strom größer oder gleich 1,4 Ampere zu betreiben.
Je nach der angestrebten Höhe des Werts für die Leucht¬ dichte am Ende eines Lichtleiters ist es erforderlichen- falls vorgesehen, eine geeignete Anzahl von LED-Chips mit maximalen Betriebsströmen von mindestens 1,4 Ampere in einem dichten LED-Array anzuordnen. Mit Hilfe des Licht¬ kopplers, insbesondere eines nichtabbildenden optischen Elements, der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung wird das von diesem LED-Array emittierte Licht in den Lichtleiter eingekoppelt.
Die vorstehend beschriebene Beleuchtungsvorrichtung ist vorzugsweise für die Verwendung in einem Endoskop, Bo- roskop oder Mikroskop vorgesehen. Kurze Beschreibung der Zeichnung
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungs¬ beispiels näher erläutert werden. Die einzige Figur zei¬ gt :
Fig. eine Beleuchtungsvorrichtung mit einem erfindungs¬ gemäßen LED-Modul und einem länglichen Lichtlei- ter .
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die einzige Figur zeigt in einer Seitenansicht stark schematisch eine erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung 1 für die Verwendung in einem Endoskop. Die Beleuch- tungsvorrichtung 1 besteht aus einem LED-Modul 2, einem Kühlkörper 3, auf dem das LED-Modul 2 angeordnet ist so¬ wie einem Lichtkoppler 4. Ebenfalls dargestellt ist ein Lichtleiter 5 mit Lichtfasern 6, die von einem Mantel 7 umgeben sind. Das LED-Modul 2 vom Typ Power-OSTAR der Firma OSRAM Opto Semiconductor besteht aus einem platten- förmigen Träger 8 aus Kupfer mit vergoldeter Oberfläche und insgesamt vier LED-Chips 9 . Jeder der vier LED-Chips 9 hat eine Fläche von 2 mm2 und emittiert im Betrieb wei¬ ßes Licht. Zur besseren Wärmeabfuhr sind die vier LED- Chips 9 direkt auf der von dem Kühlkörper 3 abgewandten Seite des Trägers 8 aufgelötet. Dabei sind die vier LED- Chips 9 mit einem gegenseitigen Abstand von 70 μιη zu ei¬ nem 2®2-Array dicht gepackt auf dem Träger 8 angeordnet. Jeder der vier LED-Chips 8 wird von einer Treiberelektro- nik separat mit Gleichstrom von bis zu 6 Ampere angesteu¬ ert (nicht dargestellt ). Damit wird eine Leuchtdichte von über 80 - 106c<i/m2 erzielt. Zum Dimmen ist die Leuchtdichte der LED zwischen 5% und 100% einstellbar. Der Lichtkopp- ler 4 ist als ein längliches, nichtabbildendes optisches Element ausgebildet mit einer den vier LED-Chips 9 zuge¬ wandten Einkoppelfläche 10 und einer dem Eingang des Lichtleiters 5 zugewandten Auskoppelfläche 11. Zwischen Einkoppelfläche 10 und LED-Chips 4 einerseits sowie Aus¬ koppelfläche 11 und Lichtleiter 5 andererseits ist je¬ weils ein Luftspalt vorgesehen. Der Luftspalt ist für die Justage und mechanische Toleranzen notwendig und sollte 0,5 mm nicht überschreiten, um die Verluste gering zu halten. Die Einkoppelfläche 10 des Lichtkopplers 4 ist etwas größer als die Gesamtfläche des LED-Arrays aus den vier LED-Chips 9. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Querschnitt des Lichtkopplers kreisförmig. Um die Einkoppeleffizienz weiter zu verbessern, kann der Querschnitt des Lichtkopplers auch an die rechteckige Gesamt¬ fläche des LED-Arrays angepasst sein. Die Auskoppelflä¬ che 11 des Lichtkopplers 4 ist der Eintrittsfläche 12 des Lichtleiters 5 angepasst. und etwas größer als die Ein¬ koppelfläche 10.

Claims

Ansprüche
LED-Modul (2) mit
mindestens einem Leuchtdioden (LED) -Chip (9), der auf einem Träger (8) angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der mindestens eine LED-Chip (9) für den Betrieb mit einer Stromstärke von mindestens 1,4 Ampere ausgelegt ist .
2. LED-Modul nach Anspruch 1, wobei die Fläche des min¬ destens einen LED-Chips (9) mindestens 1,5 mm2 be- trägt.
3. LED-Modul nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwei oder mehr LED-Chips (9) dicht nebeneinander zu einem LED- Array angeordnet sind.
4. LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Leuchtstoff vorgesehen ist, der das Licht des mindestens einen LED-Chips (9) in Licht mit einer spektralen Halbwertsbreite von größer oder gleich 50 nm konvertiert.
5. LED-Modul nach einem der vorstehenden Ansprüche, wo- bei mindestens ein LED-Chip Ultraviolett (UV) - oder
Infrarot (IR) -Strahlung emittiert.
6. Beleuchtungsvorrichtung (1) mit einem LED-Modul (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 und einem Lichtkopp- ler (4) mit einer Einkoppelfläche (10) und einer Aus- koppelfläche (11), wobei der Lichtkoppler (4) in Be¬ zug auf das LED-Modul (2) so angeordnet ist, dass das von dem mindestens einen LED-Chip (9) im Betrieb emittierte Licht in die Einkoppelfläche (10) des Lichtkopplers (4) einkoppelt.
7. Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Einkoppelfläche (10) des Lichtkopplers (4) kleiner ist als dessen Auskoppelfläche (11) .
8. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei die Einkoppelfläche (10) des Lichtkopp¬ lers (4) rechteckig geformt und auf die Fläche des mindestens einen LED-Chips (9) angepasst ist.
9. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die Einkoppelfläche (10) und/oder die Auskoppelfläche (11) mit einer Antireflexschicht ver¬ sehen ist.
10. Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Lichtkoppler (4) als nichtabbilden- des optisches Element ausgebildet ist.
11. Verfahren zum Betreiben eines LED-Moduls (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der mindestens eine LED-Chip (9) oder gegebenenfalls jeder LED-Chip mit einem Strom größer oder gleich 1,4 Ampere betrieben wird .
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Höhe des Stroms und/oder die Anzahl der LED-Chips (9) so gewählt wird, dass eine Leuchtdichte von mindestens
80 - 106cd/m erzielt wird.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das LED- Modul (2) in einer Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10 eingebaut ist.
14. Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10 in einem Endoskop oder Bo- roskop.
15. Verwendung einer Beleuchtungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10 in einem Mikroskop.
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