WO2022258091A1 - Kompakte und geschlossene vorrichtung zur beleuchtung lichtoptischer systeme mittels kreisförmig bewegter led und inkludiertem linsensystem - Google Patents

Kompakte und geschlossene vorrichtung zur beleuchtung lichtoptischer systeme mittels kreisförmig bewegter led und inkludiertem linsensystem Download PDF

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WO2022258091A1
WO2022258091A1 PCT/DE2022/000059 DE2022000059W WO2022258091A1 WO 2022258091 A1 WO2022258091 A1 WO 2022258091A1 DE 2022000059 W DE2022000059 W DE 2022000059W WO 2022258091 A1 WO2022258091 A1 WO 2022258091A1
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WO
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led
leds
wheel body
optical systems
lens
Prior art date
Application number
PCT/DE2022/000059
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English (en)
French (fr)
Inventor
Frank GÜNTHER
Original Assignee
Systamatec GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/007—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements the movable or deformable optical element controlling the colour, i.e. a spectral characteristic, of the light
    • G02B26/008—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements the movable or deformable optical element controlling the colour, i.e. a spectral characteristic, of the light in the form of devices for effecting sequential colour changes, e.g. colour wheels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S10/00—Lighting devices or systems producing a varying lighting effect
    • F21S10/02—Lighting devices or systems producing a varying lighting effect changing colors
    • F21S10/026—Lighting devices or systems producing a varying lighting effect changing colors by movement of parts, e.g. by movement of reflectors or light sources

Definitions

  • the invention relates to a device for illuminating light-optical systems for observation, the recording of images or films in these systems.
  • the LED has already found its way into many areas of optics and lithography due to its positive properties in terms of the quality and quantity of the radiation and in relation to the geometric size and its thermal behavior. For example, laser technology applications are increasingly being replaced by LEDs in order to achieve significant commercial effects.
  • a well-known solution for controlling the light with LEDs according to the state of the art is the Colibri lighting system from Zeiss.
  • the LEDs of various wavelengths are permanently installed and the light is reflected via mirror systems in a lens system for beam shaping such as collimation is controlled, from where it is coupled into an optical system for illuminating the optical system.
  • optical systems are microscopes of all kinds, camera systems in the Medical technology or property control or analysis technology based on the evaluation of scans with different wavelengths of light.
  • the LEDs are not moved, and the light from the LEDs is guided via mirror systems to the lenses at the light entry point of the lens system.
  • the LEDs are switched on and off and the mirrors are arranged in such a way that the light is reflected or transmitted with as little loss as possible, depending on the wavelength of the respective LED.
  • a decisive criterion is the mirror, which must fulfill the properties with regard to low-loss reflection or transmission as optimally as possible.
  • the losses are very high due to the single or multiple reflection and it is not possible to bring the light beam loss-free to the first lens of the lens system for beam shaping and coupling into the optical system.
  • the special application determines the illumination apertures and energy content at the observation point, whereby it is always important to illuminate the image plane in the observation field as evenly and homogeneously as possible, i.e. to generate a homogeneous illuminated field.
  • long beam paths or a large number of lenses, as in the existing systems in the prior art, are a hindrance and lead to losses and inhomogeneous luminous fields.
  • US 020050180161 A1 discloses an illumination device for an image projection device for illuminating a section to be illuminated with light from a light source consisting of a number of LEDs.
  • the plurality of LEDs are arranged on a planar portion of a rotatable base approximately equidistant from the axis of rotation.
  • the lighting device further includes a driver circuit for driving the LEDs, a condensing optical system that condenses emitted light from the LED as driven by the driver circuit onto the portion to be illuminated, a light control element for changing a light path of the light from the LEDs to illuminate the portion to be illuminated and/or for moving the LEDs, a movable portion that moves the light control element in a predetermined period, and a light selection controller that controls the movable portion and/or a driver circuit to select the light for illuminating the portion to be illuminated from the light of the plurality Select LEDs to create a colored projection image.
  • a driver circuit for driving the LEDs
  • a condensing optical system that condenses emitted light from the LED as driven by the driver circuit onto the portion to be illuminated
  • a light control element for changing a light path of the light from the LEDs to illuminate the portion to be illuminated and/or for moving the LEDs
  • a movable portion that moves the light control element in a pre
  • Periodically controlled wheel bodies equipped with LEDs for the integration and projection of a color image are also known from US 020070052938 A1, KR 10 0 777 907 B1,
  • US 4 809 062 A describes a device for image scanning applications called a color wheel, which is a passive device with different color filters.
  • a wheel body equipped with LEDs is not disclosed.
  • a device for illuminating optical systems by means of LEDs which comprises a plurality of LEDs which differ in terms of the wavelength of the emitted radiation, the LEDs being held in an LED holder.
  • the device also includes a lens system with at least one lens for beam shaping, e.g. collimation, collection, scattering and/or collinear guidance, of the radiation emitted by at least one of the LEDs and coupling into an optical system for illuminating the optical system, the lens system being in one Lens housing is supported, which defines a central axis of the lenses and a coupling opening for the radiation from the LEDs.
  • an arrangement according to the invention for guiding the radiation emitted by an LED to the coupling opening of the lens housing comprises a wheel body which is rotatably mounted on a drive axle about its central axis and has a front side facing the lens housing perpendicular to the central axis, on which a plurality of LED Recordings with at least one assigned LED are held along a circular path, a rear plate which is attached to the rear of the LED wheel body and via which the wheel body is rotatably mounted, an electrical rotary bushing for leading through connection lines for controlling and power supply of the LEDs, a Motor coupled to the drive axle to drive the wheel body in rotation.
  • the drive axis of the wheel body is parallel to the central axis of the at least one lens in the lens housing and is mounted laterally offset from it in such a way that rotation of the wheel body positions a selected one of the LEDs mounted on the front side at the coupling opening of the lens system or moves it past it can be, so that the radiation emitted by the respective LED is coupled into the lens system.
  • directional designations such as front, rear, front or rear are to be understood in relation to the emission direction of the LEDs, with front side meaning the side directed in the direction of emission and rear meaning the opposite side thereto.
  • an LED is understood to mean a light-emitting diode in the form of a housed component, which usually has electrical connection contacts and a cooling surface for making contact with a heat sink and is also referred to as an LED chip.
  • LEDs can also be used which emit by means of markers, eg for fluorescence applications.
  • Exemplary wavelengths are LB - Blue 470, LT - true green 528, LD - deep blue 455, LR - red 625, LA - amber 617, LY - yellow 590.
  • the movement of the light sources takes place in a circular path within a closed arrangement. This makes it possible to bring the LEDs very close to the first lens of the beam path without loss.
  • the lens housing for collecting, scattering and/or collinear guidance of the LED radiation is already integrated in the geometric system.
  • the lens system can include a plurality of lenses and spacer rings for beam shaping of the radiation from the LEDs coupled in via the wheel body.
  • the integration of the beam-shaping lens(es) in the lighting device and the movement of the light points directly to the transfer point to the beam-shaping optics achieve a high level of illumination homogeneity, low losses, flexibility and compact geometry.
  • the wheel body is used to hold a plurality of LED recordings along a circular path.
  • the number of LED mounts can vary and is limited by their respective size and the diameter of the wheel body.
  • Each LED mount holds at least one associated LED.
  • a particularly cost-effective implementation is possible if all LEDs of different wavelengths are structurally identical. However, this is not absolutely necessary and often not possible.
  • the multiple LED recordings can therefore also be designed specifically adapted to the mounted LEDs, so that on the Wheel body LEDs of different types can be integrated. These can be switched selectively via an external control.
  • the wheel body is firmly connected to the front and rear plates, with the driven rotary axis driving the front plate and the wheel body directly.
  • the energy transmission devices comprise an electrical rotary feedthrough for leading through connecting lines for controlling and powering the LEDs.
  • energy can be transmitted via grinding plates or the like.
  • the wheel body has a plurality of recesses which are open towards the front and which are arranged along a circular path, and the LED receptacles have a cross-sectional shape complementary to the recesses and are each accommodated with a precise fit in one of the recesses.
  • at least 2 bores or other linear guide geometries are formed as recesses on a circular path.
  • the recesses can have a circular or polygonal cross-sectional shape.
  • the number of guide geometries, ie the recesses for the LED mounts can vary and is limited by the diameter of the wheel body.
  • the wheel body can be equipped with an exact division with the guide geometries according to the LED mount, in order to ensure an exact positioning of the light spot in front of the coupling opening of the lens housing.
  • the various LEDs In order to illuminate the image plane in the observation field homogeneously with high light intensity, the various LEDs must be set precisely in the direction of the beam path, ie the distance between the light exit surface of the LED and the first lens of the lens system must be set individually.
  • the several LED holders are accommodated in a respective recess of the wheel body in an axially displaceable manner and are prestressed in the direction of the light emitted by the LED by means of a spring arranged on the rear side and supported on the rear plate.
  • the position of the LED holder in the direction of light emission and perpendicular to the front side of the wheel body, ie in the direction of the surface normal of the front side, can be adjusted by means of an adjusting screw which passes through the rear plate.
  • the adjusting screw can be anchored, for example, in the back of the LED holder and the spring force counteract.
  • the combination of LED holder, spring and adjusting screw enables the LED to be adjusted in the direction of the beam path and thus an exact individual adjustment of the distance between the light exit surface of the LED mounted on an LED holder and the coupling opening of the lens housing and thus to the beam-shaping lens system for LEDs of different types Wavelengths and types possible.
  • the LED holder is designed as a heat sink for the LED.
  • the LED mount can be made of a material with good thermal conductivity, such as an aluminum alloy or copper, so that the heat generated in the LED can be dissipated via the LED mount to the rear and further via the wheel body.
  • the LED is only in contact with the heat sink with its cooling surface.
  • the electrical contacts of the LED remain free and the electrical contacting of the LEDs is separate from the heat sink.
  • the inventors have found that, for particularly good heat dissipation, it is advantageous to contact the LED directly with the heat sink, contrary to the usual form of contact with a solder pad, i.e. to ensure direct surface contact between the heat sink and the cooling surface of the LED.
  • LEDs are known in a large number of designs which, in addition to the emission wavelength, also differ from one another in the geometric arrangement of the connection contacts and the cooling surface.
  • the LED holder is designed in each case to interact with a position securing plate in order to fix the LED in its position in 3-dimensional space relative to the wheel body.
  • the position securing plate has a geometric shape that is complementary to the LED mount and the LED, so that when it is placed on the LED, the LED is fixed in one degree of freedom by the LED mount and in a second and third degree of freedom by the Position securing plate is fixed and contacting the cooling surface of the LED with the LED holder acting as a heat sink is positively secured.
  • the individual LED mounts in the LED wheel body can therefore also have different geometries in order to follow the principles set out above in their basic conception, i.e. to leave the electrical contacts of the LED free and to ensure the position of the LED is secured, optionally in combination with a complementary shaped position locking plate.
  • the position securing plate can additionally be connected in a non-positive manner to the LED receptacle, for example by means of a press fit and/or an adhesive connection.
  • a cover plate is placed on the front side of the wheel body, the cover plate having through-openings, each aligned with the LED receptacles, for the passage of the radiation from the LEDs.
  • the purpose of the cover plate is to limit the size of the exit beam of the LED through the passage openings.
  • the cover plate is shaped in such a way that it cooperates with the lens housing to provide a light trap.
  • the cover plate can have structures on the side facing away from the LED receptacles for sealing off the coupling opening of the lens housing from extraneous light.
  • the structures for sealing off the coupling opening from extraneous light comprise annular ribs which are formed concentrically to the drive axis radially inwards and outwards of the through-openings, with the radially inner rib engaging in a groove which is in the lens housing on a side next to the coupling opening is formed, and the outer rib overlaps an outer shoulder of the lens housing on the opposite side of the coupling opening.
  • the lighting device according to the invention guarantees high lighting homogeneity, low losses in the beam path, and high flexibility with regard to the LEDs that can be used at the same time compact geometry.
  • a lighting device with extremely advantageous compact installation dimensions can thus be provided.
  • a particularly preferred embodiment of the lighting device has external dimensions with a wheel diameter of 47 mm and an overall system length of 120 mm.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a preferred embodiment of the device for illuminating optical systems using LEDs according to the invention
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of the device for illuminating optical systems using LEDs according to the invention, the section plane running along the central axis of the lens housing,
  • FIG. 3 shows an enlarged detailed view of the section labeled "A" in FIG. 2,
  • Embodiment of the device for illuminating optical systems using LEDs from Fig. 1 Embodiment of the device for illuminating optical systems using LEDs from Fig. 1,
  • FIG. 5 shows a perspective view of a detail from FIG. 4, in which the LED holder and the position securing plate for the LED are shown, viewed at an angle to the front side of the wheel body,
  • FIG. 6 shows a further perspective view of the detail from FIG. 5 with a viewing direction obliquely towards the coupling opening of the lens housing.
  • FIGs. 1, 2 and 4 which illustrate a preferred embodiment of the device for illuminating optical systems by means of LEDs according to the invention, in an external perspective view, a longitudinal sectional view and an exploded perspective view.
  • the illumination device is intended for the sequential illumination of an optical system with light of different wavelengths and comprises a plurality of LEDs 11 as the illumination source, which differ in terms of the wavelength of the emitted radiation.
  • a lens system for shaping the beam of the radiation emitted by the LEDs 11 and coupling it into an optical system is integrated into the lighting device System for lighting the optical system.
  • the Unsen system is held in a lens housing 4 which defines a central axis 43 of the lenses and a coupling opening 45 for the radiation from the LEDs. From the lens housing, the illumination beam is coupled into the optical system to be illuminated via the coupling-out opening 49 shown in FIG.
  • the lighting device further includes a mechanism for selectively and sequentially moving the LEDs in front of the coupling aperture 45 and selectively coupling light of different wavelengths into the lens system.
  • This guide mechanism comprises a wheel body 2, which is rotatably mounted on a drive axle 6 (Fig. 2) about its central axis, a plate 8 on the back of the LED wheel body 2, via which the wheel body 2 is rotatably mounted, and a motor 24.
  • the plurality of LEDs are mounted along a circular path at an angular distance from one another.
  • An external controller controls the motor 24, which rotates the wheel body 2 via the drive axle 6.
  • the drive axle 6 of the wheel body 2 is mounted parallel to the center axis 43 of the lens system in the lens housing 4 and laterally offset from it.
  • the lighting device includes sensor means (not shown) for determining the position and controlling the rotation of the wheel body via the external control unit.
  • the sensor means described can take various forms. The variance can vary depending on the application and position accuracy. It could be simple inductive sensors, but also an incremental angular germ system with a very high resolution of the elements.
  • the wheel body 2 has a plurality of recesses 21 for holding the LEDs, which are open towards the front and which are arranged along a circular path, with only one of these recesses 21 being shown in Fig 4 is denoted.
  • LED receptacles 1 with a complementary cross-sectional shape, each carrying an LED, are accommodated in the recesses.
  • the recesses 21 and the LED receptacles 1 each have a circular cross section, but polygonal or oval cross sections are also possible.
  • the LED holder 1 is arranged in the respective recess in an axially displaceable manner.
  • a spring 26 (FIG. 2) is arranged on the back of the LED holder, which is supported on the rear plate 8 and by which the LED holder 1 is pretensioned towards the front side of the wheel body.
  • the position of the LED mount 1 in the direction of light emission and thus the distance between the light exit surface of the LED and the coupling opening 45 of the lens system can be adjusted using an adjusting screw (not shown) that extends through the rear plate 8 .
  • the adjusting screw can, for example, be anchored in the back of the LED mount and can hold the LED mount against the spring force. In this way, an exact adjustment of the LED in the direction of the beam path in relation to the lens system is possible. This makes it easy to adjust LEDs of different wavelengths and types relative to the lens system.
  • the lens system comprises a lens package which best meets the required application and depends on the wavelengths, the distance to the observation point and the size of the area to be illuminated - lens 41. These are in their position in the lens housing 4 to the front and rear of the Housing set out by a spacer ring 47 and thus flexible in distance to the LED.
  • the beam path of the light is guided through the in-coupling opening (45) in such a way that a light beam that is as collimated as possible can be emitted at a defined emission angle through the out-coupling opening 49, see FIG. 1, in the direction of the light-optical system to be illuminated.
  • the LED holder 1 in addition to holding the LED(s), also fulfills the function of a heat sink, ie a heat sink for the respective LED(s).
  • a heat sink for the respective LED(s).
  • a 3-dimensional Cartesian coordinate system with x, y and z directions is given, with the x direction being parallel to the central axis 43 of the lens system and in the direction of the light exit of the LEDs.
  • the LED in the specific exemplary embodiment has a central cooling surface on its rear side, which extends as a strip from edge to edge of the LED in the z-direction. Electrical connection contacts are provided on both sides of the cooling surface, which also extend as strips from edge to edge of the LED in the z-direction.
  • the LED is brought into contact with the heat sink, ie the LED holder 1, only with its cooling surface, so that the electrical contacts of the LED remain free and the electrical contacting of the LEDs can be made separately from the heat sink.
  • the front of the LED holder 1 is designed with a special geometric shape that is matched to the arrangement of the cooling surface and electrical contacts of the LED, depending on the design of the LED.
  • the LED holder 1 is designed with a web which is embedded in the x-direction and whose width in the y-direction corresponds approximately to the width of the cooling surface.
  • the extent of the depression in the z-direction is matched to the dimensions of the LED, so that the LED is accommodated in the depression and the cooling surface of the LED thus rests on the base of the depression on the web.
  • the width of the bridge must be smaller than the distance between the two electrical contacts on the right and left of the bridge so that the electrical contacts do not touch the heat sink and the electrical contact of the LED can be made separately from the heat sink.
  • This design of the LED mount 1 fixes the LED in one degree of freedom, here specifically in the z direction.
  • the LED holder 1 interacts with a position securing plate 9, which has a geometric shape complementary to the LED holder 1 or the LED, and so on is placed on the LED, that the LED is fixed in a second and third degree of freedom by the position securing plate 9 and thus the LED can be positioned exactly so that the luminous point of the LED lies exactly on the central axis of the LED holder 1 and also a contact the cooling surface of the LED is positively secured with the heat sink.
  • the position securing plate 9 has a central through hole for the passage of the light emitted by the LED. Furthermore, the position securing plate 9 has a recess on its rear side, i.e. the side facing the LED 11, the width of which is dimensioned in the y-direction in such a way that the LED can be accommodated therein. Furthermore, an edge area of the position securing plate 9 is recessed and comes into contact with a complementarily shaped projection of the LED holder 1, i.e. the heat sink, where the contact surfaces can optionally also be glued.
  • the LED Due to the fit of the LED on the heat sink in the z-direction and the fit of the LED on the position securing plate 9 in the y-direction, the LED is already positively held on the heat sink when the position securing plate 9 is placed on the heat sink and there is good contact between the cooling surface of the LED and the heat sink while leaving the electrical contacts free. Expressed more generally, without being restricted to the specific exemplary embodiment of FIGS.
  • the LED mount 1 works together with a position securing plate 9 in order to fix the LED in its position in 3-dimensional space relative to the wheel body 2, the position securing plate 9 being a part of the LED mount 1 and the LED has a complementary geometric shape and is placed on the LED, so that the LED is fixed in one degree of freedom by the LED receptacle 1 and is fixed in a second and third degree of freedom by the position securing plate 9 and contacting of the cooling surface of the LED with the heat sink as a result it is positively secured that the diameter of the plate 9 forms a press fit with the recessed annular groove of part 1 and thus the LED is also pressed firmly against the web of part 1.
  • a cover plate 3 is also placed on the front side of the wheel body 2.
  • the cover plate 3 has a plurality of through openings 31, the number of which corresponds to the recesses 21 of the wheel body 2 and are each aligned with these and thus with the LED receptacles 1 and thus guarantee the passage of the light emitted by the LED.
  • the Cover plate 3 has the task, on the one hand, of limiting the size of the light emission from the LED to the lens system.
  • On the other hand on the side facing away from the LED receptacles 1, ie on the side facing the lens housing 4, ie its front side, it has structures for sealing off the coupling opening 45 of the lens housing 4 from extraneous light.
  • FIG. 3 shows an enlarged section of the sectional view of the illumination system from FIG.
  • the wheel body 2 is shown here in a rotated position in which an LED holder 1 with LED 11 is aligned with the coupling opening 45 of the lens housing 4.
  • the cover plate 3 is placed on the wheel body.
  • the cover plate 3 On the side facing the lens housing 4, the cover plate 3 has structures for sealing off the coupling opening of the lens housing 4 from extraneous light. More specifically, the cover plate 3 has two annular ribs 32, 33 which are formed concentrically with the drive shaft 6 radially inwards and outwards of the through holes 31.
  • a groove 5 is formed in the lens housing 4 on one side next to the coupling opening 45 .
  • the radially inner rib 32 engages in the groove 5 and is guided in it without contact when the wheel body 2 rotates.
  • the outer rib 33 overlaps an outer shoulder of the lens housing 4 on the opposite side of the coupling opening and is guided past the latter without contact when the wheel body 2 rotates. This provides a light trap for ambient light, which is thus prevented from penetrating to the in-coupling opening 45 of the lens system. As a result, the wavelengths of the various LEDs can be kept exactly in their frequency range.
  • an extremely compact and closed device for illuminating light-optical systems using LEDs with an integrated lens system in which the LED light can be guided very close to the lens system without loss by means of a rotary movement, so that high illumination homogeneity in the light-optical system to be illuminated and low loss is achieved with high flexibility with regard to the wavelengths at the same time.
  • the costs can be reduced compared to the prior art and the manufacturing method can be simplified.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Beleuchtung optischer Systeme mittels mehrerer LEDs (11) unterschiedlicher Wellenlängen mit integriertem Linsensystem (41) vorgeschlagen, die auf Spiegel verzichtet. Die LEDs sind auf einem Radkörper (2) auf einer Kreisbahn gehaltert und werden durch Drehung des Radkörpers selektiv an das Linsensystem herangeführt. Damit wird verlustarm eine hohe Ausleuchtungshomogenität im zu beleuchtenden lichtoptischen System bei kompakter Einbaugröße erreicht.

Description

Kompakte und geschlossene Vorrichtung zur Beleuchtung lichtoptischer Systeme mittels kreisförmig bewegter LED und inkludiertem Linsensystem
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beleuchtung von lichtoptischen Systemen zur Beobachtung, der Aufnahme von Bildern oder Filmen in diesen Systemen.
Die Beleuchtung von optischen Systemen ist kein neues Feld und bei Sichtung der Fachliteratur ist natürlich auch eine historische Entwicklung zu erkennen. Was sich jedoch im Laufe der Jahrzehnte nicht geändert hat, sind die physikalischen Grundlagen. Es geht im Wesentlichen um Quantität und Qualität der Beleuchtung, also um Fragen wie Leuchtdichte und spektrale Anteile, Wellenlängenverteilung oder Thermik in direktem Bezug zum Preis für die Lösung zur Anwendung.
Eine universelle Lichtquelle für die Optik gibt es nicht und wird es auch nicht geben, dafür sind die Anforderungen der Spezialdisziplinen zu unterschiedlich. Was es aber geben kann und muss sind Lösungen, die aus der neuesten technologischen Entwicklung der Lichtquellen entstehen, um somit neue Produktformen zu generieren.
Die LED hat auf Grund ihrer positiven Eigenschaften hinsichtlich der Qualität und Quantität der Strahlung und bezogen auf die geometrische Größe und ihrer thermischen Verhaltensweisen bereits umfangreich Einzug in viele Bereiche der Optik und Lithographie gehalten. So werden z.B. vermehrt auch lasertechnische Anwendungen durch LEDs ersetzt, um erhebliche kommerzielle Effekte zu erzielen.
Ein bekannter Lösungsansatz zur Einsteuerung des Lichtes mit LEDs gemäß dem Stand der Technik stellt das Beleuchtungssystem Colibri der Fa. Zeiss dar. Hierbei sind (wie im Übrigen in allen anderen bekannten Lösungsansätzen auch) die LEDs verschiedenster Wellenlängen fest installiert und das Licht wird über Spiegelsysteme in ein Linsensystem zur Strahlformung wie z.B. Kollimation eingesteuert, von wo es in ein optisches System zur Beleuchtung des optischen Systems eingekoppelt wird. Beispiele für optische Systeme sind z.B. Mikroskope der verschiedensten Varianten, Kamerasysteme in der Medizintechnik oder Eigenschaftenkontrolle oder die Analysetechnik auf Basis der Auswertung von Abtastungen mit verschiedenen Wellenlängen des Lichtes.
Bei diesen bekannten Lösungsansätzen werden also die LEDs nicht bewegt, und das Licht der LEDs wird über Spiegelsysteme an die Linsen am Lichteintrittspunkt des Linsensystems geführt. Die LEDs werden dabei ein- und ausgeschalten und die Spiegel so angeordnet, dass das Licht abhängig von der Wellenlänge der jeweiligen LED möglichst verlustarm gespiegelt oder durchgelassen wird.
Ein entscheidendes Kriterium ist dabei der Spiegel, welcher die Eigenschaften bezüglich verlustarmer Spiegelung oder Transmission möglichst optimal erfüllen muss. Die Verluste sind jedoch durch die einmalige oder auch mehrmalige Spiegelung sehr hoch und es ist nicht möglich den Lichtstrahl verlustfrei an die erste Linse des Linsensystems zur Strahlformung und Einkopplung in das optische System zu bringen.
Dazu ist es aus dem derzeitigen Stand der Technik auch bekannt, die LEDs jeweils mit einer Linse oder einem kleinen Linsensystem zu versehen, um den sehr langen und verlustreichen Strahlengang zum Eintrittspunkt in das Linsensystems zur Strahlformung bewerkstelligen zu können. Dies verursacht schon im Vorfeld Verluste und Kosten und geht dann auf Kosten der Flexibilität und der Möglichkeiten zum gleichmäßigen Ausleuchten von Feldern am Bildpunkt des zu beleuchtenden optischen Systems.
In bekannten Systemen muss auch mit zunehmender Anzahl der LEDs und der verschiedenen Wellenlängen erheblich in die Entwicklung optimaler Spiegel investiert werden. Des Weiteren entstehen in der Herstellung Kosten die sich in einem sehr hohen Preis niederschlagen.
Der derzeitige Stand der Technik, welcher mit Spiegelsystemen arbeitet, kann zwar auch in moderat kleine Geometrien gefasst werden, benötigt jedoch einen hohen Aufwand im optischen Teil der Auskoppelung zum Bildpunkt. Aus diesem Grund ist es nur bedingt möglich, diese Beleuchtungssysteme in das optische System auf geometrisch kleinem Bauraum so zu integrieren, dass ein geometrisch kompakter Aufbau entsteht, der mit moderatem Aufwand z.B. in Automatisierungsanlagen bewegt werden kann. Eine LED besitzt einen kleinen Leuchtpunkt und eine stark lichtstreuende Abstrahlung bei variabler Öffnungsweite. Eine wesentliche Anforderung an ein Beleuchtungssystem für optische Systeme ist die Generierung einer kollinearen Beleuchtung. Dabei bestimmt der spezielle Anwendungsfall die Beleuchtungsaperturen und Energieinhalte am Beobachtungspunkt, wobei es in jeden Fall wichtig ist, die Bildebene im Beobachtungsfeld möglichst gleichmäßig und homogen auszuleuchten, also ein homogenes Leuchtfeld zu erzeugen. Hierbei sind lange Strahlenwege oder eine Vielzahl von Linsen wie in den vorhandenen Systemen im Stand der Technik hinderlich und führen zu Verlusten und inhomogenen Leuchtfeldern.
Andererseits ist es aus dem Bereich der Unterhaltungs- und Konferenzelektronik von Bildprojektionsgeräten bekannt, verschiedenfarbige LEDs auf einem drehbar gelagerten Radkörper vorzusehen und periodisch anzusteuern, um ein farbiges Projektionsbild zu erzeugen.
Beispielsweise offenbart die US 020050180161 Al eine Beleuchtungsvorrichtung für ein Bildprojektionsgerät zur Beleuchtung eines zu beleuchtenden Abschnitt mit Licht von einer Lichtquelle, die aus mehreren LEDs besteht. Die mehreren LEDs sind auf einem ebenen Abschnitt einer drehbaren Unterlage im ungefähr gleichen Abstand von der Rotationsachse angeordnet. Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst ferner eine Treiberschaltung zum Treiben der LEDs, ein optisches Kondensorsystem, das emittiertes Licht von der LED wie durch die Treiberschaltung angesteuert auf den zu beleuchtenden Abschnitt kondensiert, ein Lichtsteuerelement zur Änderung eines Lichtwegs des Lichts von den LEDs zum Beleuchten des zu beleuchtenden Abschnitts und/oder zur Bewegung der LEDs, einen bewegbaren Abschnitt, der das Lichtsteuerelement in einer vorbestimmten Periode bewegt, und eine Lichtauswahlsteuerung, die den bewegbaren Abschnitt und/oder eine Treiberschaltung steuert, um das Licht zum Beleuchten des zu beleuchtenden Abschnitts aus dem Licht der mehreren LEDs auszuwählen, um ein farbiges Projektionsbild zu erzeugen.
Mit LEDs bestückte, periodisch angesteuerte Radkörper zur Integration und Projektion eines Farbbildes sind weiterhin aus US 020070052938 Al, KR 10 0 777 907 Bl,
US 000006155687 A und US 020060279709 Al bekannt. Extrem kurze Strahlenwege zur Generierung einer kollinearen Beleuchtung, wie sie für lichtoptische Beobachtungs- und Inspektionssysteme wie Mikroskope und Kamera-Mikroskop-Kombinationen gewünscht sind, werden mit diesen Anordnungen nicht angesprochen. Eine Einstellung der verschiedenen LEDs in Richtung des Strahlenganges, die für eine homogene Ausleuchtung mit hoher Lichtintensität der Bildebene im Beobachtungsfeld von Mikroskopen und Kamera-Mikroskop-Kombinationen erforderlich ist, wird nicht adressiert.
Die US 4 809 062 A beschreibt ein als Farbrad bezeichnetes Bauteil für Bildscannanwendungen, wobei es sich hierbei um ein passives Bauteil mit verschiedenen Farbfiltern handelt. Ein mit LEDs bestückter Radkörper ist nicht offenbart.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die vorstehend benannten Nachteile zu beseitigen oder zumindest zu vermindern. Insbesondere soll eine kompakte Geometrie, geringe Verluste, gute Ausleuchtungseigenschaften am Bildpunkt und hohe Flexibilität bezüglich der Wellenlängen erreicht werden, bei gleichzeitig geringem Kostenaufwand und einfacher Herstellungsweise.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung zur Beleuchtung optischer Systeme mittels LED gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und werden anhand der weiteren Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen deutlich werden.
Dementsprechend wird eine Vorrichtung zur Beleuchtung optischer Systeme mittels LED zur Verfügung gestellt, die eine Mehrzahl von LEDs umfasst, die sich hinsichtlich der Wellenlänge der emittierten Strahlung unterscheiden, wobei die LEDs in einer LED- Aufnahme gehaltert sind. Weiter umfasst die Vorrichtung ein Linsensystem mit mindestens einer Linse zur Strahlformung, z.B. Kollimation, Sammlung, Streuung und/oder kollinearer Führung, der von zumindest einer der LEDs emittierten Strahlung und Einkoppeln in ein optisches System zur Beleuchtung des optischen Systems, wobei das Linsensystem in einem Linsengehäuse gehaltert ist, das eine Mittelachse der Linsen und eine Einkoppelöffnung für die Strahlung von den LEDs definiert.
Die Erfindung folgt nicht der Logik, dass die Lichtquellen, d.h. die LEDs, fest installiert sein müssen und die Strahlung über Spiegel an die Einkoppelöffnung des strahlformenden Linsensystems geführt wird. Vielmehr umfasst eine erfindungsgemäße Anordnung zur Führung der von einer LED emittierten Strahlung zu der Einkoppelöffnung des Linsengehäuses einen Radkörper, der um seine Mittelachse drehbar auf einer Antriebsachse befestigt ist und eine dem Linsengehäuse zugewandte Frontseite senkrecht zu der Mittelachse aufweist, an der eine Mehrzahl von LED-Aufnahmen mit mindestens einer zugeordneten LED entlang einer Kreisbahn gehaltert sind, eine rückseitige Platte, die an der Rückseite des LED-Radkörpers angebracht ist und über die der Radkörper drehbar gelagert ist, eine elektrische Drehdurchführung zum Durchführen von Anschlussleitungen zur Ansteuerung und Stromversorgung der LEDs, einen Motor, der mit der Antriebsachse gekoppelt ist, zum rotatorischen Antrieb des Radkörpers. Dabei ist die Antriebsachse des Radkörpers parallel zu der Mittelachse der mindestens eine Linse in dem Linsengehäuse und derart seitlich versetzt zu dieser gelagert ist, dass durch Rotation des Radkörpers jeweils eine ausgewählte der an der Frontseite gehalterten LEDs an der Einkoppelöffnung des Linsensystems positioniert oder an dieser vorbeigeführt werden kann, so dass die von der jeweiligen LED emittierte Strahlung in das Linsensystem eingekoppelt wird.
In Sinne der vorliegenden Erfindung sind Richtungsbezeichnungen wie Frontseite, Rückseite, frontseitig oder rückseitig in Bezug auf die Abstrahlrichtung der LEDs zu verstehen, wobei Frontseite die in Richtung der Abstrahlung gerichtete Seite und Rückseite die dazu entgegengesetzte Seite meint.
Unter LED wird im Zusammenhang der Erfindung eine Leuchtdiode in Form eines gehäusten Bauelements verstanden, das üblicherweise elektrische Anschlusskontakte sowie eine Kühlfläche zur Kontaktierung mit einer Wärmesenke aufweist und auch als LED-Chip bezeichnet wird.
Die Begriffe Licht und Strahlung der LED werden in der nachfolgenden Beschreibung synonym verwendet und sind im Sinne der vorliegenden Erfindung nicht auf den sichtbaren Wellenlängenbereich beschränkt. Beispielsweise können auch LEDs zum Einsatz kommen, die im mittels Markern emittieren, z.B. für Fluoreszenzanwendungen. Beispielhafte Wellenlängen sind LB - Blue 470, LT - true green 528, LD - deep blue 455, LR - red 625, LA - amber 617, LY - yellow 590. Gemäß der vorliegenden Erfindung erfolgt die Bewegung der Lichtquellen auf einer Kreisbahn innerhalb einer geschlossenen Anordnung. Dies macht es möglich, die LEDs verlustfrei sehr nah an die erste Linse des Strahlganges zu führen. Das Linsengehäuse zur Sammlung, Streuung und/oder kollinearer Führung der LED-Strahlung ist im geometrischen System bereits integriert. Das Linsensystem kann eine Mehrzahl von Linsen und Distanzringen zur Strahlformung der über den Radkörper eingekoppelten Strahlung von den LEDs umfassen. Durch die Integration der Strahlformungslinse(n) in die Beleuchtungsvorrichtung und die Bewegung der Leuchtpunkte direkt an den Übergabepunkt zur Strahlformungsoptik wird eine hohe Ausleuchtungshomogenität, Verlustarmut, Flexibilität und kompakte Geometrie erreicht.
Mit einem Motor, Sensormitteln zur Lagebestimmung und einer zugehörigen externen Steuerung ist es möglich, die LED-Positionen exakt am Lichteinkoppelpunkt des Linsengehäuses zu positionieren. Als Sensormittel kann Messtechnik verschiedenster Bauarten zum Einsatz kommen, (die dem Fachmann bekannt sind und hier keiner weiteren Erläuterung bedürfen). Mit einem entsprechend hochgenauen Positionsmesssystem kann die LED auch am Einkoppelpunkt vorbeigeführt werden und während des Vorbeifahrens die Bildaufnahme einer Probe generiert werden, ohne den Radkörper anzuhalten. Diese Art von Positioniersystem beruht auf einem inkrementalen Miniaturmesssystem für die berührungslose, optische Weg- und Winkelmessung, wobei Teilungsperioden von 20 Mikrometer und darunter mittlerweile am Markt angeboten werden.
Der Radkörper dient der Halterung einer Mehrzahl von LED-Aufnahmen entlang einer Kreisbahn. Die Anzahl der LED -Aufnahmen kann dabei variieren und wird begrenzt durch ihre jeweilige Größe und den Durchmesser des Radkörpers. Jede LED-Aufnahme haltert jeweils mindestens eine zugeordnete LED. Auch kommt die Halterung mehrerer LEDs auf einer LED-Aufnahme in Betracht, beispielsweise von 3 oder 6 oder 7 LEDs in einer rotationssymmetrischen Anordnung, um die Intensität der jeweils zur Beleuchtung zur Verfügung gestellten Strahlung zu erhöhen oder Strahlung verschiedener Wellenlänge gleichzeitig einzukoppeln. Eine besonders kostengünstige Implementierung ist bei Baugleichheit aller LED verschiedener Wellenlängen möglich. Dies ist aber nicht zwingend notwendig und oft nicht möglich. Die mehreren LED-Aufnahmen können daher auch bauartspezifisch angepasst an die gehalterten LEDs ausgebildet sein, so dass auf dem Radkörper LEDs verschiedener Bauarten integriert werden können. Diese können selektiv über eine externe Ansteuerung schaltbar sein.
Der Radkörper ist mit der vorderen- und rückseitigen Platte fest verbunden wobei die angetriebene Drehachse die vordere Platte sowie den Radkörper direkt antreibt. Die Energieübertragungseinrichtungen umfassen gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine elektrische Drehdurchführung zum Durchführen von Anschlussleitungen zur Ansteuerung und Stromversorgung der LEDs. Alternativ ist eine Energieübertragung über Schleifplatten oder ähnliches möglich.
Der Radkörper weist eine Mehrzahl von Ausnehmungen auf, die zur Frontseite hin offen sind und die entlang einer Kreisbahn angeordnet sind, und die LED-Aufnahmen weisen eine zu den Ausnehmungen komplementäre Querschnittsform auf und sind jeweils passgenau in einer der Ausnehmungen aufgenommen. Hierbei sind auf einer Kreisbahn mindestens 2 Bohrungen oder andere lineare Führungsgeometrien als Ausnehmungen ausgebildet. Mit anderen Worten können die Ausnehmungen eine kreisförmige oder polygonale Querschnittsform aufweisen. Die Anzahl der Führungsgeometrien, also der Ausnehmungen für die LED-Aufnahmen kann dabei variieren und wird begrenzt durch den Durchmesser des Radkörpers. Der Radkörper kann mit exakter Teilung mit den Führungsgeometrien gemäß der LED-Aufnahme ausgestattet werden, um damit eine exakte Positionierung des Lichtpunkts vor der Einkoppelöffnung des Linsengehäuses zu gewährleisten.
Um die Bildebene im Beobachtungsfeld homogen mit hoher Lichtintensität auszuleuchten, ist eine exakte Einstellung der verschiedenen LEDs in Richtung des Strahlenganges erforderlich, d.h. eine individuelle Einstellung des Abstands der Lichtaustrittsfläche der LED zur ersten Linse des Linsensystems. Dazu sind die mehreren LED-Aufnahmen axial verschiebbar in einer jeweiligen Ausnehmung des Radkörpers aufgenommen und sind dabei mittels einer an der Rückseite angeordneten Feder, die sich an der rückseitigen Platte abstützt, in Richtung des von der LED emittierten Lichts vorgespannt. Die Position der LED-Aufnahme in Richtung der Lichtemission und senkrecht zu der Frontseite des Radkörpers, d.h. in Richtung der Flächennormalen der Frontseite, ist mittels einer Stellschraube einstellbar, die durch die rückseitige Platte hindurchreicht. Die Stellschraube kann beispielsweise in der Rückseite der LED-Aufnahme verankert sein und der Federkraft entgegen wirken. Durch die Kombination aus LED-Aufnahme, Feder und Stellschraube wird eine Einstellung der LED in Richtung des Strahlenganges und mithin eine exakte individuelle Einstellung des Abstands der Lichtaustrittsfläche der auf einer LED-Aufnahme gehalterten LED zur Einkoppelöffnung des Linsengehäuses und damit zum strahlformenden Linsensystem für LEDs verschiedener Wellenlängen und Bauarten möglich.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die LED-Aufnahme als Kühlkörper für die LED ausgebildet. Dazu kann die LED-Aufnahme aus einem gut wärmeleitenden Material wie beispielsweise einer Aluminiumlegierung oder Kupfer ausgebildet sein, so dass die in der LED entstehende Wärme über die LED-Aufnahme zur Rückseite hin und weiter über den Radkörper abgeleitet werden kann. Die LED steht nur mit ihrer Kühlfläche mit dem Kühlkörper in Kontakt. Dabei bleiben elektrische Kontakte der LED frei und die elektrische Kontaktierung der LEDs erfolgt getrennt vom Kühlkörper. Die Erfinder haben festgestellt, dass es für eine besonders gute Wärmeableitung vorteilhaft ist, die LED entgegen der üblichen Kontaktierungsform mit Lötpad direkt mit dem Kühlkörper zu kontaktieren, d.h. für direkten Flächenkontakt zwischen Kühlkörper und Kühlfläche der LED zu sorgen.
LEDs sind in einer Vielzahl von Bauformen bekannt, die sich neben der Emissionswellenlänge auch in der geometrischen Anordnung der Anschlusskontakte und der Kühlfläche zueinander unterscheiden.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform ist die LED-Aufnahme jeweils dafür ausgebildet, mit einer Lagesicherungsplatte zusammenzuwirken, um die LED in ihrer Lage im 3-dimensionalen Raum relativ zu dem Radkörper zu fixieren. Die Lagesicherungsplatte weist dabei eine zu der LED-Aufnahme und der LED komplementäre geometrische Gestalt auf, so dass, wenn sie auf der LED aufgesetzt ist, die LED in einem Freiheitsgrad durch die LED-Aufnahme festgelegt ist und in einem zweiten und dritten Freiheitsgrad durch die Lagesicherungsplatte festgelegt ist und eine Kontaktierung der Kühlfläche der LED mit der als Kühlkörper fungierenden LED-Aufnahme formschlüssig gesichert ist. Mit dieser Ausführung wird der Leuchtpunkt in die zentrale Achse gelegt und eine geometrisch sichere und reproduzierbare Lage bezüglich des Strahlenganges vollzogen. Wie bereits erwähnt können LEDs unterschiedlicher Bauarten zum Einsatz kommen. Die einzelnen LED-Aufnahmen in dem LED-Radkörper können daher je nach Bauart der aufzunehmenden LED auch unterschiedliche Geometrien aufweisen, um in ihrer Grundkonzeption den oben dargelegten Prinzipien zu folgen, also die elektrische Kontakte der LED freizulassen und die Lagesicherung der LED zu gewährleisten, optional in Kombination mit einer komplementär geformten Lagesicherungsplatte. Die Lagesicherungsplatte kann dabei zusätzlich kraftschlüssig mit der LED-Aufnahme verbunden sein, beispielsweise durch Presspassung und/oder eine Klebeverbindung.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist auf der Frontseite des Radkörpers eine Abdeckplatte aufgesetzt, wobei die Abdeckplatte Durchgangsöffnungen jeweils ausgerichtet mit den LED-Aufnahmen zum Durchtritt der Strahlung von den LEDs aufweist. Die Abdeckplatte hat die Aufgabe, durch die Durchgangsöffnungen den Austrittsstrahl der LED in seiner Größe zu begrenzen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Abdeckplatte so ausgeformt, dass sie zusammenwirkend mit dem Linsengehäuse eine Lichtfalle bereitstellt. Dazu kann die Abdeckplatte auf der von den LED-Aufnahmen abgewandten Seite Strukturen zur Abschottung der Einkoppelöffnung des Linsengehäuses von Fremdlicht aufweisen.
Damit wird für eine Abschottung des Strahlengangs zwischen LED und Linsensystem gegenüber Licht von außen gesorgt. Dieses ist wichtig, um Fremdlichteinwirkung zu verhindern und um die Wellenlängen der verschiedenen LED in ihrem Frequenzbereich zu halten. Außerdem können so Messaufgaben, Kontrollaufgaben und ähnliches in einem engen Frequenzbereich gehalten.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfassen die Strukturen zur Abschottung der Einkoppelöffnung von Fremdlicht ringförmige Rippen, die konzentrisch zur Antriebsachse radial einwärts und auswärts der Durchgangsöffnungen ausgebildet sind, wobei die radial innere Rippe in eine Nut eingreift, die in dem Linsengehäuse auf einer Seite neben der Einkoppelöffnung ausgebildet ist, und die äußere Rippe eine äußere Schulter des Linsengehäuses auf der gegenüberliegenden Seite der Einkoppelöffnung überlappt.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtig garantiert hohe Ausleuchtungshomogenität, geringe Verluste im Strahlengang, hohe Flexibilität bezüglich verwendbarer LEDs bei gleichzeitig kompakter Geometrie. Damit kann eine Beleuchtungsvorrichtig mit äußerst vorteilhaften kompakten Einbaumaßen bereitgestellt werden. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Beleuchtungsvorrichtig weist Außenabmessungen mit einem Raddurchmesser von 47mm und einer Gesamtsystemlänge von 120mm auf.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben, in denen gleiche oder äquivalente Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zur Beleuchtung optischer Systeme mittels LED gemäß der Erfindung,
Fig. 2 einen Längsschnitt der Vorrichtung zur Beleuchtung optischer Systeme mittels LED gemäß der Erfindung, wobei die Schnittebene entlang der Mittelachse des Linsengehäuses verläuft,
Fig. 3 eine vergrößerte Detailansicht des in Fig. 2 mit "A" bezeichneten Ausschnitts,
Fig. 4 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der bevorzugten
Ausführungsform der Vorrichtung zur Beleuchtung optischer Systeme mittels LED aus Fig. 1,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Details aus Fig. 4, in welcher die LED- Aufnahme und die Lagesicherungsplatte für die LED dargestellt sind, mit Blickrichtung schräg zur Frontseite des Radkörpers hin,
Fig. 6 eine weitere perspektivische Ansicht des Details aus Fig. 5 mit Blickrichtung schräg zur Einkoppelöffnung des Linsengehäuses hin.
Zunächst sei auf die Fign. 1, 2 und 4 Bezug genommen, die eine bevorzugte Ausführungsform der Vorrichtung zur Beleuchtung optischer Systeme mittels LED gemäß der Erfindung darstellen, und zwar in einer perspektivischen Außenansicht, einer Längsschnittansicht und einer auseinandergezogenen perspektivischen Ansicht.
Die Beleuchtungsvorrichtung ist zur sequenziellen Beleuchtung eines optischen Systems mit Licht unterschiedlicher Wellenlänge vorgesehen und umfasst als Beleuchtungsquelle eine Mehrzahl von LEDs 11, die sich hinsichtlich der Wellenlänge der emittierten Strahlung unterscheiden. In die Beleuchtungsvorrichtung integriert ist ein Linsensystem zur Strahlformung der von den LEDs 11 emittierten Strahlung und Einkoppeln in ein optisches System zur Beleuchtung des optischen Systems. Das Unsensystem ist in einem Linsengehäuse 4 gehaltert, das eine Mittelachse 43 der Linsen und eine Einkoppelöffnung 45 für die Strahlung von den LEDs definiert. Aus dem Linsengehäuse wird der Beleuchtungsstrahl über die in Fig. 1 bezeichnete Auskoppelöffnung 49 in das zu beleuchtende optische System eingekoppelt.
Die Beleuchtungsvorrichtung umfasst ferner einen Mechanismus, um die LEDs selektiv und nacheinander vor die Einkoppelöffnung 45 zu bewegen, und selektiv Licht verschiedener Wellenlängen in das Linsensystem einzukoppeln. Dieser Führungsmechanismus umfasst einen Radkörper 2, der um seine Mittelachse drehbar auf einer Antriebsachse 6 (Fig. 2) befestigt ist, eine Platte 8 an der Rückseite des LED-Radkörpers 2, über die der Radkörper 2 drehbar gelagert ist, und einen Motor 24.
Auf einer dem Linsengehäuse 4 zugewandten Frontseite 21 des Radkörpers 2 sind die mehreren LEDs entlang einer Kreisbahn im Winkelabstand zueinander gehaltert. Eine externe Steuerung steuert den Motor 24, der über die Antriebsachse 6 den Radkörper 2 in Drehung versetzt. Die Antriebsachse 6 des Radkörpers 2 ist parallel zu der Mittelachse 43 des Linsensystems in dem Linsengehäuse 4 und seitlich versetzt zu dieser gelagert. Durch Drehung des Radkörpers 2 kann jeweils eine ausgewählte der an der Frontseite 21 gehalterten LEDs an der Einkoppelöffnung 45 des Linsensystems positioniert oder an dieser vorbeigeführt werden, so dass die von der jeweiligen LED emittierte Strahlung in das Linsensystem eingekoppelt wird.
In dem Radkörper 2 ist weiterhin eine elektrische Drehdurchführung 7 zum Durchführen von Anschlussleitungen zur Ansteuerung und Stromversorgung der LEDs aufgenommen, wie in den Fign. 2 und 4 zu erkennen ist. Weiterhin sind in der Beleuchtungsvorrichtung Sensormittel (nicht dargestellt) zur Lagebestimmung und Steuerung der Rotation des Radkörpers über die externe Steuereinheit umfasst. Diese beschriebenen Sensormittel können verschiedene Formen annehmen. Wobei die Varianz je nach Anwendung und Positionsgenauigkeit variieren kann. Es könnten einfache indktive Sensoren sein aber auch ein inkrementales Winkeimessystem mit einer sehr hohen Auflösung der Elemente. Wie insbesondere der Fig. 4 zu entnehmen ist, weist der Radkörper 2 zur Halterung der LEDs eine Mehrzahl von Ausnehmungen 21 auf, die zur Frontseite hin offen sind und die entlang einer Kreisbahn angeordnet sind, wobei der Übersichtlichkeit halber nur eine dieser Ausnehmungen 21 in Fig. 4 bezeichnet ist. In den Ausnehmungen sind jeweils LED- Aufnahmen 1 mit komplementärer Querschnittsform aufgenommen, die jeweils eine LED tragen. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4 weisen die Ausnehmungen 21 und die LED- Aufnahmen 1 jeweils einen kreisförmigen Querschnitt auf, polygonale oder ovale Querschnitte sind jedoch ebenso möglich.
Die LED-Aufnahme 1 ist in der jeweiligen Ausnehmung axial verschiebbar angeordnet. An der Rückseite der LED-Aufnahme ist eine Feder 26 (Fig. 2) angeordnet, die sich an der rückseitigen Platte 8 abstützt und durch welche die LED-Aufnahme 1 zur Frontseite des Radkörpers hin vorgespannt wird. Die Position der LED-Aufnahme 1 in Richtung der Lichtemission und somit der Abstand der Lichtaustrittsfläche der LED zur Einkoppelöffnung 45 des Linsensystems kann mittels einer Stellschraube (nicht dargestellt) justiert werden, die durch die rückseitige Platte 8 hindurchreicht. Die Stellschraube kann beispielsweise in der Rückseite der LED-Aufnahme verankert sein und die LED-Aufnahme entgegen der Federkraft halten. So ist eine exakte Justage der LED in Richtung des Strahlenganges in Bezug auf das Linsensystem möglich. Dies macht es einfach, LEDs verschiedener Wellenlängen und Bautypen relativ zu dem Linsensystem zu justieren.
Im Ausführungsbeispiel der Fign. 2 und 4 umfasst das Linsensystem ein Linsenpaket welches die geforderte Anwendung am besten erfüllt und Abhängig ist von den Wellenlängen, dem Abstand zum Beobachtungspunkt sowie der Größe des aufzuleuchtenden Bereiches -Linse 41. Diese sind in ihrer Lage im Linsengehäuse 4 zur Vorder- und Rückseite des Gehäuses hin durch jeweils einen Distanzring 47 festgelegt und damit Flexibel im Abstand zur LED. Damit wird der Strahlengang des Lichtes durch die Einkoppelöffnung (45) derart geführt, dass ein möglichst kollimierter Lichtstrahl in definiertem Abstrahlwinkel durch die Auskoppelöffnung 49, siehe Fig. 1, in Richtung des zu beleuchtenden lichtoptischen Systems abgegeben werden kann.
Unter zusätzlicher Bezugnahme auf die vergrößerten Detailansichten der Fign. 5 und 6 soll nun eine besonders bevorzugte Ausführungsform der LED-Aufnahme 1 näher erläutert werden. Hierbei erfüllt die LED-Aufnahme 1 neben der Halterung der LED(s) zusätzlich die Funktion eines Kühlkörpers, d.h. einer Wärmesenke für die jeweilige(n) LED(s). Zur besseren Orientierung in den perspektivischen Ansichten aus unterschiedlichen Richtungen ist jeweils ein 3-dimensionales kartesisches Koordinatensystem mit x-, y- und z-Richtung angegeben, wobei die x-Richtung parallel zur Mittelachse 43 des Linsensystems und in Richtung des Lichtaustritts der LEDs liegt.
Wie in Fig. 6 deutlich zu erkennen ist, weist die LED im konkreten Ausführungsbeispiel an ihrer Rückseite eine mittige Kühlfläche auf, die sich als Streifen von Rand zu Rand der LED in z-Richtung erstreckt. Zu beiden Seiten der Kühlfläche sind elektrische Anschlusskontakte vorgesehen, die sich ebenfalls als Streifen von Rand zu Rand der LED in z-Richtung erstrecken.
Erfindungsgemäß wird die LED nur mit ihrer-Kühlfläche mit dem Kühlkörper, also der LED- Aufnahme 1, in Kontakt gebracht, so dass die elektrischen Kontakte der LED frei bleiben und die elektrische Kontaktierung der LEDs getrennt vom Kühlkörper erfolgen kann.
Hierzu ist die Frontseite der LED-Aufnahme 1 mit einer speziellen geometrischen Gestalt ausgebildet, die auf die Anordnung von Kühlfläche und elektrischen Kontakten der LED abhängig von der Bauart der LED abgestimmt ist.
Bei dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel ist die LED-Aufnahme 1 mit einem Steg ausgebildet, der in x-Richtung eingelassen ist und in seiner Breite in y- Richtung in etwa der Breite der Kühlfläche entspricht. Die Einsenkung ist in ihrer Ausdehnung in z-Richtung auf die Abmessung der LED abgestimmt, so dass die LED in der Einsenkung aufgenommen wird und somit die Kühlfläche der LED auf dem Boden der Einsenkung an dem Steg aufliegt. Die Breite des Stegs muss dabei kleiner sein als der Abstand der beiden elektrischen Kontakte rechts und links des Steges zueinander, so dass die elektrischen Kontakte nicht den Kühlkörper berühren und die elektrische Kontaktierung der LED getrennt vom Kühlkörper erfolgen kann. Durch diese Gestaltung der LED-Aufnahme 1 wird die LED in einem Freiheitsgrad festgelegt, hier konkret in z- Richtung.
Weiter wirkt die LED-Aufnahme 1 mit einer Lagesicherungsplatte 9 zusammen, die eine zu der LED-Aufnahme 1 bzw. der LED komplementäre geometrische Gestalt aufweist und so auf die LED aufgesetzt wird, dass die LED in einem zweiten und dritten Freiheitsgrad durch die Lagesicherungsplatte 9 festgelegt wird und damit die LED exakt positioniert werden kann, so dass der Leuchtpunkt der LED exakt auf der Zentralachse der LED- Aufnahme 1 liegt und außerdem eine Kontaktierung der Kühlfläche der LED mit dem Kühlkörper formschlüssig gesichert ist.
Die Lagesicherungsplatte 9 weist eine mittige Durchgangsöffnung zum Durchlass des von der LED emittierten Lichts auf. Weiter weist die Lagesicherungsplatte 9 auf ihrer Rückseite, d.h. der LED 11 zugewandten Seite eine Ausnehmung auf, die in der Breite in y-Richtung derart dimensioniert ist, dass die LED darin aufgenommen werden kann. Weiterhin ist ein Randbereich der Lageslcherungspiatte 9 vertieft ausgebildet und kömmt an einem komplementär geformten Vorsprung der LED-Aufnahme 1, d.h. des Kühlkörpers, in Anlage, wo die Kontaktflächen optional noch verklebt werden können.
Durch die Passung der LED an dem Kühlkörper in z-Richtung und Passung der LED an der Lagesicherungsplatte 9 in y-Richtung wird bereits die LED bei Aufsetzen der Lagesicherungsplatte 9 auf den Kühlkörper formschlüssig an dem Kühlkörper gehalten und ein guter Kontakt der Kühlfläche der LED mit dem Kühlkörper unter Freilassung der elektrischen Kontakte sichergestellt. Allgemeiner ausgedrückt, ohne Beschränkung auf das konkrete Ausführungsbeispiel der Fign. 5 und 6, wirkt die LED-Aufnahme 1 jeweils mit einer Lagesicherungsplatte 9 zusammen, um die LED in ihrer Lage im 3-dimensionalen Raum relativ zu dem Radkörper 2 zu fixieren, wobei die Lagesicherungsplatte 9 eine zu der LED-Aufnahme 1 und der LED komplementäre geometrische Gestalt aufweist und auf die LED aufgesetzt ist, so dass die LED in einem Freiheitsgrad durch die LED-Aufnahme 1 festgelegt ist und in einem zweiten und dritten Freiheitsgrad durch die Lagesicherungsplatte 9 festgelegt ist und eine Kontaktierung der Kühlfläche der LED mit dem Kühlkörper dadurch formschlüssig gesichert ist, dass der Durchmesser der Platte 9 mit der eingelassenen Ringnut des Teiles 1 eine Presspassung bildet und damit die LED auch fest an den Steg des Teiles 1 angedrückt wird.
Kommen wir auf die Fign. 1, 2 und 4 zurück, so ist ferner auf der Frontseite des Radkörpers 2 eine Abdeckplatte 3 aufgesetzt. Die Abdeckplatte 3 weist eine Mehrzahl von Durchgangsöffnungen 31 auf, die in ihrer Anzahl den Ausnehmungen 21 des Radkörpers 2 entsprechen und jeweils zu diesen und somit zu den LED-Aufnahmen 1 ausgerichtet sind und so den Durchlass des von der LED emittierten Lichts garantieren. Die Abdeckplatte 3 hat zum einen die Aufgabe, den Lichtaustritt von der LED zum Linsensystem in seiner Größe zu begrenzen. Zum anderen weist sie auf der von den LED- Aufnahmen 1 abgewandten Seite, d.h. auf der dem Linsengehäuse 4 zugewandten Seite, also ihrer Frontseite, Strukturen zur Abschottung der Einkoppelöffnung 45 des Linsengehäuses 4 von Fremdlicht auf.
Hierzu sei insbesondere auf Fig. 3 Bezug genommen, die einen vergrößerten Ausschnitt der Schnittansicht des Beleuchtungssystems aus Fig. 2 zeigt, der den Bereich um die Einkoppelöffnung 45 des Linsengehäuses 4 herum darstellt. Hier ist der Radkörper 2 in einer Drehstellung gezeigt, bei der eine LED-Aufnahme 1 mit LED 11 zu der Bnkoppslöffnung 45 des Linsenaehäuses 4 ausgerichtat ist» Die Abdeckplatte 3 ist auf den Radkörper aufgesetzt. An der dem Linsengehäuse 4 zugewandten Seite weist die Abdeckplatte 3 Strukturen zur Abschottung der Einkoppelöffnung des Linsengehäuses 4 von Fremdlicht auf. Genauer gesagt weist die Abdeckplatte 3 zwei ringförmige Rippen 32, 33 auf, die konzentrisch zur Antriebsachse 6 radial einwärts und auswärts der Durchgangsöffnungen 31 ausgebildet sind. In dem Linsengehäuse 4 ist auf einer Seite neben der Einkoppelöffnung 45 eine Nut 5 ausgebildet. Die radial innere Rippe 32 greift in die Nut 5 ein und wird bei Drehung des Radkörpers 2 kontaktfrei in dieser geführt.
Die äußere Rippe 33 überlappt eine äußere Schulter des Linsengehäuses 4 auf der gegenüberliegenden Seite der Einkoppelöffnung und wird bei Drehung des Radkörpers 2 kontaktfrei an dieser vorbei geführt. Damit ist eine Lichtfalle für Umgebungslicht gegeben, das damit am Vordringen zu der Einkoppelöffnung 45 des Linsensystem gehindert wird. Dadurch können die Wellenlängen der verschiedenen LEDs exakt in ihrem Frequenzbereich gehalten werden.
Mit der Erfindung kann eine äußerst kompakte und geschlossene Vorrichtung zur Beleuchtung lichtoptischer Systeme mittels LED mit integriertem Linsensystem bereitgestellt werden, bei der das LED-Licht mittels einer Drehbewegung verlustfrei sehr nah an das Linsensystem geführt werden kann, so dass hohe Ausleuchtungshomogenität im zu beleuchtenden lichtoptischen System und Veriustarmut bei gleichzeitig hoher Flexibilität bezüglich der Wellenlängen erreicht wird. Gleichzeitig kann durch Verzicht auf Spiegel und komplexe Umlenkungsoptik der Kostenaufwand im Vergleich zum Stand der Technik gesenkt und die Herstellungsweise vereinfacht werden. Bezuaszeichenliste
I LED-Aufnahme, Kühlkörper
II LED 2 Radkörper
21 Ausnehmung in 2
24 Motor
26 Vorspannfeder
3 Abdeckplatte 31 Durchgangsöffnung in 3
32 radial innere Rippe
33 radial äußere Rippe
4 Linsengehäuse
41 Linse 43 Mittelachse von 41
45 Einkoppelöffnung
47 Distanzring
49 Auskoppelöffnung
5 Nut in 4 6 Zentrale Antriebsachse
7 Elektrische Drehdurchführung
8 rückseitige Platte
9 Lagesicherungsplatte

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Beleuchtung optischer Systeme mittels LED, mit einer Mehrzahl von LEDs (11), die sich hinsichtlich der Wellenlänge der emittierten Strahlung unterscheiden, wobei die LEDs in einer LED-Aufnahme (1) gehaltert sind, einem Linsensystem mit mindestens einer Linse (41) zur Strahlformung der von zumindest einer der LEDs (11) emittierten Strahlung zum Einkoppeln in ein optisches System zur Beleuchtung von diesem, wobei das Linsensystem in einem Linsengehäuse (4) gehaltert ist, welches eine Mittelachse (43) der Linsen und eine Einkoppelöffnung (45) für die Strahlung von den LEDs definiert, einer Anordnung zur Führung der von einer LED emittierten Strahlung zu der Einkoppelöffnung des Linsengehäuses (4), wobei die Anordnung zur Führung der von einer LED emittierten Strahlung zu der Einkoppelöffnung des Linsensystems folgendes umfasst: einen Radkörper (2), der um seine Mittelachse drehbar auf einer Antriebsachse (6) befestigt ist und eine dem Linsengehäuse (4) zugewandte Frontseite (21) senkrecht zu der Mittelachse aufweist, an der eine Mehrzahl von LED-Aufnahmen (1) mit jeweils mindestens einer zugeordneten LED entlang einer Kreisbahn gehaltert sind, eine rückseitige Platte (8), die an der Rückseite des LED-Radkörpers (2) angebracht ist und mit dem Radkörper (2) fest verbunden drehbar gelagert ist,
Energieübertragungseinrichtungen (7) zur Ansteuerung und Stromversorgung der LEDs, einen Motor (24), der mit der Antriebsachse gekoppelt ist, zum rotatorischen Antrieb des Radkörpers (2),
Sensormittel zur Lagebestimmung und Steuerung der Rotation des Radkörpers mittels ei ner externen Steuereinheit, wobei die Antriebsachse des Radkörpers (2) parallel zu der Mittelachse der mindestens einen Linse (41) in dem Linsengehäuse (4) und derart seitlich versetzt zu dieser gelagert ist, dass durch Rotation des Radkörpers (2) jeweils eine ausgewählte der an der Frontseite (21) gehalterten LEDs an der Einkoppelöffnung des Linsensystems positioniert oder an dieser vorbeigeführt werden kann, so dass die von der jeweiligen LED emittierte Strahlung in das Linsensystem eingekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Radkörper (2) eine Mehrzahl von Ausnehmungen aufweist, die zur Frontseite hin offen sind und die entlang einer Kreisbahn angeordnet sind, und dass die LED-Aufnahmen
(1) eine zu den Ausnehmungen komplementäre Querschnittsform aufweisen und jeweils passgenau in einer der Ausnehmungen aufgenommen sind, und dass die mehreren LED-Aufnahmen (1) axial verschiebbar in einer jeweiligen Ausnehmung des Radkörpers (2) aufgenommen sind und mittels einer an der Rückseite angeordneten Feder (26), die sich an der rückseitigen Platte (8) abstützt, in Richtung des von der LED emittierten Lichts vorgespannt sind, wobei die Position der LED-Aufnahme (1) in Richtung der Lichtemission und senkrecht zu der Frontseite des Radkörpers (4) mittels einer Stellschraube einstellbar ist, die durch die rückseitige Platte (8) hindurchreicht.
2. Vorrichtung zur Beleuchtung optischer Systeme mittels LED nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den Radkörper (2) gehalterte Mehrzahl von LEDs (11) LEDs verschiedener Bauarten umfasst, die über eine Ansteuerung extern schaltbar sind.
3. Vorrichtung zur Beleuchtung optischer Systeme mittels LED nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Energieübertragungseinrichtungen eine elektrische Drehdurchführung (7) zum Durchführen von Anschlussleitungen zur Ansteuerung und Stromversorgung der LEDs umfasst.
4. Vorrichtung zur Beleuchtung optischer Systeme mittels LED nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Linsensystem (4) eine Mehrzahl von Linsen (41) und Distanzringen (47) zur Strahlformung der über den Radkörper
(2) eingekoppelten Strahlung von den LEDs umfasst.
5. Vorrichtung zur Beleuchtung optischer Systeme mittels LED nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Aufnahme (1) als Kühlkörper für die LED ausgebildet ist und die LED nur mit ihrer-Kühlfläche mit dem Kühlkörper in Kontakt steht, wobei elektrische Kontakte der LED frei bleiben und die elektrische Kontaktierung der LEDs getrennt vom Kühlkörper erfolgt.
6. Vorrichtung zur Beleuchtung optischer Systeme mittels LED nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Aufnahme (1) jeweils mit einer Lagesicherungsplatte (9) zusammenwirkt, um die LED in ihrer Lage im 3- dimensionalen Raum relativ zu dem Radkörper (2) zu fixieren, wobei die Lagesicherungsplatte (9) eine zu der LED-Aufnahme (1) und der LED komplementäre geometrische Gestalt aufweist und auf die LED aufgesetzt ist, so dass die LED in einem Freiheitsgrad durch die LED-Aufnahme (1) festgelegt ist und in einem zweiten und dritten Freiheitsgrad durch die Lagesicherungsplatte (9) festgelegt ist und eine Kontaktierung der Kühlfläche der LED mit dem Kühlkörper formschlüssig gesichert ist.
7. Vorrichtung zur Beleuchtung optischer Systeme mittels LED nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Lagesicherungsplatte (9) und der LED-Aufnahme (1) durch Presspassung und/oder Klebeverbindung besteht.
8. Vorrichtung zur Beleuchtung optischer Systeme mittels LED nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Frontseite des Radkörpers (2) eine Abdeckplatte (3) aufgesetzt ist, wobei die Abdeckplatte (3) Durchgangsöffnungen (31) jeweils ausgerichtet mit den LED-Aufnahmen (1) zum Durchtritt der Strahlung von den LEDs aufweist, wobei der Austrittsstrahl der LED durch den Durchmesser der Durchgangsöffnungen (31) beschränkt wird.
9. Vorrichtung zur Beleuchtung optischer Systeme mittels LED nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckplatte (3) auf der von den LED= Aufnahmen (1) abgewandten Seite Strukturen zur Abschottung der Einkoppelöffnung des Linsengehäuses (4) von Fremdlicht aufweist.
10. Vorrichtung zur Beleuchtung optischer Systeme mittels LED nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturen zur Abschottung der Einkoppelöffnung von Fremdlicht ringförmige Rippen umfassen, die konzentrisch zur Antriebsachse radial einwärts und auswärts der Durchgangsöffnungen ausgebildet sind, wobei die radial innere Rippe (32) in eine Nut (5) eingreift, die in dem Linsengehäuse (4) auf einer Seite der Einkoppelöffnung ausgebildet ist, und die äußere Rippe (33) eine äußere Schulter des Linsengehäuses (4) auf der gegenüberliegenden Seite der Einkoppelöffnung überlappt.
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