WO2012110521A1 - Coupling element for the coupling of led to fibre bundle - Google Patents

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WO2012110521A1
WO2012110521A1 PCT/EP2012/052523 EP2012052523W WO2012110521A1 WO 2012110521 A1 WO2012110521 A1 WO 2012110521A1 EP 2012052523 W EP2012052523 W EP 2012052523W WO 2012110521 A1 WO2012110521 A1 WO 2012110521A1
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led
glass
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Martin Moldenhauer
Helmut Laser
Sebastian Knuth
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Xion Gmbh
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Definitions

  • Coupling element for the coupling of LED to fiber bundles
  • the present invention relates to a coupling element for the coupling of LEDs of different sizes and embodiments to fiber bundles in endoscopy.
  • LEDs light emitting diodes
  • the main aim is to couple as much as possible of the light emitted by available LED components into fiber bundles of different diameters.
  • LED components are offered both as a chip LED, as well as attached lens, or with windows and have very different dimensions.
  • aspheres have to be used to realize the required angular transformation for coupling into fiber bundles. Due to the number of lenses used, a portion of the emitted light of the LED is lost by reflection and scattering on the lens surfaces, which is particularly disadvantageous.
  • optical elements made of PMMA polymethyl methacrylate
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • rotationally symmetric elements are provided which are intended to catch as many as possible of all the rays emitted by the LED in their solid angle and to guide them in a desired direction by means of spherical or aspherical or even partially reflecting surface parts.
  • US 2006/0044820 in which some of the very special beam-guiding components are described.
  • a disadvantage of these elements are their dimensions, since due to the required solid angle, these elements are several times larger in diameter than the LED itself. The disadvantage here is also the very high price for these precision turned parts in small quantities.
  • an adaptation of these elements is usually only possible through recalculation and customization. This also applies to the LED to be used. For each type of LED, a specific element must be calculated and manufactured.
  • shock coupling For coupling the light of the LED, it is much better possible than with lens systems to bring the fiber bundles and the LED chip areas into direct contact with one another, as has been described in detail in US Pat. No. 7,229,201 (so-called shock coupling).
  • shock coupling the best Einkoppellinger have been achieved over all other known methods.
  • the disadvantage of this shock coupling is that the commercial available fiber bundle diameter or the fiber bundle diameter used in the endoscopes are not adapted to all common LED chip sizes or can not be adapted.
  • the illustrated fiber bundles are shown smaller than the actual LED chip, which generally leads to losses in the corners (inscribed circle).
  • fiber cones In order to detect as many emitted light beams as possible in these methods of butt coupling or direct placement on LED chips or lens caps or windows, fiber cones have been used in many cases. As described, for example, in US 2009/0122573, the fiber cone is used for aperture conversion and sizing by placing it with its small diameter on the LED chip and the large diameter of the fiber cone comes into contact with the fiber bundle to be used. The Disadvantages here are also the adaptation of the diameter of the small side of the fiber cone to the LED chip, which must indeed be performed as a perimeter around the LED chip to record as many rays, then possibly bonding wires can be damaged.
  • Known fiber cones and also known glass cones have different diameters of the coupling and decoupling surfaces.
  • the term aspect ratio is to be understood as the quotient of the smaller (e.g., on) coupling surface to the larger (e.g., off) coupling surface.
  • the use of one of the surfaces as a coupling surface is based on the respective, specific task.
  • the solid angles of the LEDs generally have much larger angles than the transmittable apertures of commercially available installed glass fibers, in the majority of the coupling tasks, the smaller cone diameter is used as the coupling surface and the LED is installed too skilfully.
  • the large coupled solid angle will be provided according to the aspect ratio in a small solid angle at the decoupling surface. The following statements assume this configuration.
  • the embodiments of all known LED chips are square or rectangular, the embodiments of known Lichtleitschreib coupling surfaces are round, so that there is an unmatched surface coupling. If the coupling diameter is chosen to be equal to or greater than the diagonal of a square LED chip (circumference), then portions (circular sections) are present in which no light is transmitted. If the diameter of a e.g. If the light guide cable coupled to the shock coupling is chosen to be smaller or the same as the diameter of the inner circle of a square LED chip (incircle), radiation of the chip coming from the protruding edge regions is likewise lost. This is problematic when LED components are used with lenses. Here, the fiber optic interface to be patched must have a much larger diameter than the LED chip to detect all beams, again at the expense of a best fit aspect ratio.
  • the commercially available fiber cones have fused fibers at both coupling points, so that a very high packing density of the individual fibers is obtained, which results in a high power transmission.
  • this fiber cone should contain fibers with a high numerical aperture.
  • the numerical aperture of the fibers of a fiber cone (or of a cogia cone) is calculated as:
  • NA v (n k 2 -n m 2)
  • n k index of refraction (refractive index) in the core
  • n m refractive index (refractive index) in the casing where n k> n m
  • Fiber cones with a high aperture and additionally fused coupling and decoupling surfaces are not available as standard and can only be produced with expensive technology. Likewise, other than round coupling and Auskoppel lake- geometries are not available. Fiber cones from INCOM, USA are offered with high apertures up to 0.9 with very small fiber diameters. The fiber cones also offered by this company with square or rectangular surface geometries correspond Not the required for an effective coupling between LED and fiber bundles tasks of light coupling, since here a round diameter is brought by grinding of fibers to a rectangular geometry and consequently edge fibers are excluded from the light guide. Due to the very small diameter of the fibers in these offered fiber cones occur in addition to higher losses.
  • glass cone For the coupling of LED to fiber bundles are commercially available and glass cone available, which consist of a glass core and a glass jacket with refractive index ratios that allow a reflection in the interior similar to a single glass fiber.
  • the dimensions of the glass cones move in the range of the diameter of the fiber bundles to be used for light transmission in the endoscopes. Even with the glass cones, there are no commercially available high apertures and no other than round shaped coupling and decoupling surfaces.
  • the present invention aims to provide a coupling element for coupling LED light commercially available LED in the fiber bundles used in endoscopy of endoscopes or optical cables or in the optical components used for other lighting applications, the disadvantages of all described coupling elements described above as possible should be avoided.
  • a, for example, cylindrically shaped coupling element of a core, which preferably consists of glass, and a plurality of transverse to the longitudinal direction, successive cladding layers is constructed with matched different refractive indices.
  • the cladding layers likewise each preferably consist of glass and are therefore also referred to below as cladding glasses or glass sheaths and follow one another in the radial direction in such a way that they encase a further inner sheath layer or the core and extend as far as possible in the longitudinal direction of the coupling element over its entire length , which can be localized by polished sections.
  • Propagation angle is understood here to mean the angle of a respective light beam with respect to the longitudinal direction of the coupling element.
  • the coupling element has a numerical aperture greater than 0.8 and more preferably greater than 0.9 and is designed for coupling to fiber bundles or other optical elements with a diameter greater than 4 mm.
  • Fiber bundles for endoscopy usually have diameters of more than 4 mm or 5 mm.
  • the core and the cladding layers are made of glass so that the core is surrounded by a plurality of glass claddings.
  • a cladding layer of glass is also referred to as a glass cladding.
  • the coupling element can be produced from a multi-step index plastic preform (MSI-POF).
  • a coupling element whose cladding layers each consist of homogeneous glass with a respective defined refractive index, wherein the glasses of the cladding layers are made of commercially available glasses with a corresponding refractive index.
  • a high aperture can be achieved via the layering.
  • a suitable combination of glasses is (from core to outer cladding layer):
  • the coupling element has at least 3, preferably 5 to 10 successive cladding layers
  • the cladding layers of the coupling element preferably form successive glass shells with a respective refractive index, so that the refractive indices decrease in their value from the core to the outer sheath.
  • the refractive indices of the successive glass shells from the core to the outer glass sheath are preferably designed with respect to each other according to a calculated beam guidance.
  • the layer thicknesses of the successive cladding layers are preferably the same. Alternatively or additionally, the layer thicknesses of the successive glass shells are designed differently according to a calculated beam guidance.
  • the layer thicknesses of the cladding layers are greater than 0.1 mm and preferably between 0.5 mm and 1 mm.
  • the solid angle resulting at the decoupling point can be better adapted (eg widened) compared to a pure glass cone, if a coupling element is used, which consists of several layers of glass whose refractive indices are different and whose layer thickness is different or equal and which also tapers - that can be tapered in the longitudinal direction - executed.
  • This coupling element may have a round, square or rectangular geometry at the coupling surfaces and / or at the decoupling surfaces, so that an areal adaptation to any LED geometries or to any geometrically shaped fiber bundles can take place.
  • the coupling element is designed as a straight cylindrical or prismatic body or designed as tapered in the longitudinal direction Taper with divergent input and output coupling surfaces sizes.
  • the coupling-in surface and / or the coupling-out surface of the coupling element preferably has a rectangular, preferably square shape.
  • the coupling element may have round or angular cross-sectional shapes and correspondingly, e.g. have a cylindrical or prismatic outer shape, with end faces that serve as a coupling surface or decoupling surface.
  • Conically tapered coupling elements and / or in the longitudinal direction of a shape with a round cross-section on a shape with angular cross section passing Koppide are equally within the scope of this invention and allow the respective end face and thus the respective input and output surface in their shape to the LED or to adjust the coupling surface of a respective fiber bundle.
  • coupling elements are preferred whose coupling surface corresponds to the surface of a respectively provided LED component. These are, for example, usually rectangular surfaces with a dimension between 1 mm 2 and 10 mm 2 .
  • a respective LED component and the coupling element preferably form a structural unit which has a connection for connecting a fiber bundle on the side of the coupling-out surface of the coupling element.
  • a coupling surface of the coupling element here the in operation of the LED facing (front) surface is designated, through which the light of the LED enters the coupling element. Accordingly, as a decoupling surface of the coupling element that (front) surface referred to, which faces the optical fiber bundle of the endoscope or another subsequent optical component during operation and by the light of the LED exits the coupling element and enters an entrance surface of the fiber bundle or the other optical component.
  • the coupling-out surface of the coupling element preferably has a shape and also a surface measure which corresponds to the coupling-in surface of a fiber bundle.
  • the diameters or corner gauges of the coupling element may be larger, e.g. 8-10mm.
  • the end surface of the coupling element serving as a coupling surface and the other end face of the coupling element differing from one another both in terms of their shape and in terms of their surface dimension, but preferably in at least one of these aspects.
  • the Einkoppel- fietze and the coupling surface of the coupling element are preferably designed as ground and polished end faces of the coupling element.
  • a particularly effective transmission of the light in the coupling element according to the invention is achieved by the individual numerical apertures, which results from the design of the refractive indices of the individual mutually contacting neighboring layers.
  • a particularly preferred coupling element has, for example, a glass core and 5 cladding layers each having different refractive indices with a refractive index difference of about 0.1 of the layers to one another and uniformly decreasing refractive index from the core to the outermost cladding. This component has a square cross section at the LED input side and a round cross section at the output side.
  • the individual cladding layers are preferably thicker than 0.1 mm and preferably have a layer thickness between 0.5 mm and 1 mm.
  • the number of cladding glasses (cladding layers) can be selected
  • the thickness of the cladding glasses (cladding layers) can be selected. Glasses can be selected for use in terms of their indices of refraction
  • the cross-sections of the coupling-in and coupling-out sides can be selected (round, square, rectangular)
  • the outermost layer can be mirrored on the outside
  • the transmission of the coupling element can be optimized for different wavelengths
  • the glasses to be used should approximate in their coefficients of thermal expansion and viscosity to provide a compact fused coupling element.
  • This coupling element can be produced by various methods. It can be produced as a single component by the glass shells are pushed over each other as prefabricated tubes and the entire component collapses in an oven. But it can also be drawn as a continuous strand in a drawing system from a preform whose glass layers by z. B. customary deposition processes have been prepared. Likewise, chill casting of the various glass shells of the coupling element in corresponding shapes is possible. The nesting of several glass plates in an overlay outer tube with subsequent pulling results in such a coupling element selectable dimensions. The preparation of the tapered shape can also be done by conventional methods. The transformation of one or both ends into a rectangular or square cross-section may, for. B. also be achieved later by pressing a corresponding shape.
  • Figure 1 an arrangement of a fiber cone or a glass cone for coupling the
  • Figure 13 a coupling element according to the invention in an embodiment as a coupling element or beam splitter coupling out at right angles
  • Figure 14 Application of the coupling element according to the invention for a coupling of 3 LEDs on a coupling-out side
  • FIG 15 Another embodiment for a coupling of 3 LED on a decoupling side with a coupling element according to the invention
  • Figure 16 Application of the coupling element according to the invention for a coupling of several SMD LED on a decoupling side
  • a measured radiation lobe of a power LED is used as a starting point, which covers an angle range of 40 °.
  • Figure 1 shows the coupling of a fiber cone or a glass cone to a commercially available power LED.
  • the LED should in this case be present without an attached lens as an embedded LED, as is shown, for example, in US Pat. in the case of the "Phlatlight-LED" supplied by the company LUMINUS (USA)
  • the fiber cone (2) or the glass cone (6) sits in abutment on the window of the LED (1).
  • 5) uses the smaller diameter side to convert the angle conversion from the larger beam angle of the LED to a smaller coupling angle.
  • the commercial glass cone (6) consists of a glass core with a first refractive index n k and a glass cladding with a second refractive index n m . If n m ⁇ n k , then a known total reflection of the light takes place.
  • the numerical aperture (NA) of the glass cone and its aspect ratio can be selected via the glasses and the sizes of the coupling and decoupling points (4, 5).
  • Figure 2 shows the coupling-out diagram of a glass cone (6), which has a low aspect ratio of 0.4, ie a large difference in diameter between the coupling-in side (5) and the coupling-out side (4).
  • the resulting solid angle is relatively limited to the aperture (NA) given by the glasses.
  • NA aperture
  • the room angle of the LED radiation is only used to 40%. As a result, the transmission efficiency is not good.
  • a wide coupling angle can only be achieved with a glass cone if very high refractive glasses are used.
  • Commercially available glass cones have a numerical aperture of +/- 30 0 .
  • Figures 3 and 4 also show this fact: With a glass cone with a high aspect ratio, the decoupling angle is kept within the limits of the numerical aperture (NA) given by the glasses, while the middle part of the solid angle is flattened. The transmitted light output decreases with increasing aspect ratio.
  • NA numerical aperture
  • the Glaskegei can not transmit even more than 50% of the total power of the LED here.
  • the glass cone used here has an absorbent outer layer.
  • the transferable performance may be higher.
  • Figure 5 shows the structure of a cylindrical coupling element according to the invention. It has a glass core with a refractive index of n k and cladding glasses concentrically around this core with the different refractive indices n 3 to n 7 .
  • the glass layers have the thicknesses D1 to D5, which can be the same size or different sizes.
  • the coupling element has a freely selectable length L and has a ground, polished and coated Einkoppelseite (5) with the diameter D e and a ground and polished and coated coupling-out side (4) with the diameter D a .
  • Figure 6 shows a taper of a coupling element according to the invention.
  • the taper with the selectable length L is identical to the inner structure of the coupling element shown in Figure 5 wherein the diameters of the coupling side (5) and the coupling-out side (4) are different and thus set an aspect ratio.
  • FIG 7 a taper of a coupling element according to the invention is shown, which on the coupling side (5) has a different surface shape than on the coupling-out side (4).
  • the surface shape of the coupling-in side is rectangularly adapted to an LED chip having the dimensions a ⁇ b, while the coupling-out side is round and may be adapted in diameter, for example, to commercially available fiber bundle diameters.
  • Figure 8 shows in a decoupling diagram how the decoupling angle of a tapered coupling element according to the invention behaves according to FIG. 6 when the aspect ratio is 0.75.
  • continuously increasing refractive indices from the cladding to the core are used, the refractive index differences of the individual layers having a size of 0.1 relative to one another. This means an aperture of the individual layers to each other of about 0.5 to 0.6. The absolute aperture of the entire component thus results in> 0.9.
  • the jacket thicknesses are kept the same. It can be seen that even with a multilayer coupling element with the same Mantle thicknesses and uniformly from inside to outside changing refractive index of the glass layers, a coupling angle can be obtained, which is wider than the glass cone compared to Figure 4.
  • the total transmitted light output is about twice as high as the simple glass cone according to Figure 4.
  • Figure 9 shows a decoupling diagram for a second refractive index order of the single refractive indices of the individual glass layers in the direction from the core to the cladding.
  • glasses which have a refractive index difference from each other of about 0.02 to 0.05.
  • the beams in the coupling element change very rapidly and very often the layers, with the result that a narrower coupling-out angle and in the central region a slightly wider plateau is formed.
  • Figure 10 shows a coupling-out diagram for a third refractive index sequence, which is characterized in that the refractive index differences between the layers is about 0.01 to 0.03. With the resulting very small apertures between the layers a center-emphasized smaller Auskoppelwinkel and only a smaller power transmission is achieved.
  • the refractive index sequence according to FIG. 8 is interrupted with the high apertures between the layers by introducing a layer which has a refractive index which differs greatly from the surrounding layers, then a coupling-out diagram according to FIG. 11 with a very broad coupling-out angle results. In the picture, this layer lies near the outer coats. By shifting this low-refractive layer, different decoupling profiles of the spatial angle to be decoupled can be achieved.
  • one of the cladding layers is changed in thickness, z. B. widened as z. As shown in Figure 12, it can also be used to create widening of the decoupling angle.
  • the availability of glasses with appropriate parameters allows a wide range of manipulation of the coupling element according to the invention. It can be seen that in the coupling element according to the invention, the coupled-in beams can be more completely and better converted to the coupling-out side than is possible with a glass cone or even with a fiber cone. In addition, the transmittable light output is higher. With the choice of the layer thicknesses, the refractive indices and the aspect ratio, one is able to develop and produce an effective and inexpensive coupling element very quickly for a large number of coupling tasks.
  • the coupling surface and the decoupling surface of this coupling element according to the invention are ground and polished and can be provided with a reflection-reducing coating or a wavelength-selective coating.
  • a specially designed coupling element is formed when the entire component is held in a rectangular cross-section.
  • This side can be provided with a mirror layer, which leads to a decoupling of the light at right angles to the coupling side. Since the beam guidance through the mirror layer is approximately perpendicular to the individual cladding glasses, not all rays are deflected into the glass layers, but leave the coupling element on the ground shell side. In the case of a coating of the angularly ground outcoupling side with a divider layer with a selectable divider ratio, a decoupling can take place in two different directions. If the splitter layer is designed as a wavelength-selective layer, light mixing elements can also be constructed with the coupling element according to the invention.
  • Figure 14 shows a structure of 3 LED, which emit different spectral.
  • the light of the LED1 is coupled into the planar coupling surface of the upper first coupling element (G1).
  • the decoupled by 45 ° decoupling surface of the upper first coupling element (G1) is coated with a long-pass layer, which leaves the green light of the LED1 through and blue light reflected.
  • the angled at 45 ° and uncoated surface of the second coupling element (G2) is cemented.
  • the second coupling element (G2) conducts the light of the blue LED2 via the wavelength-selective coating on the first coupling element (G1) and the coupling-out point on the second coupling element (G2) into the third coupling element (G3).
  • This third coupling element (G3) has a wavelength-selective long-pass filter, which transmits blue and green but reflects red.
  • the un coated fourth coupling element (G4) cemented which conducts the light of a red emitting LED, which is reflected at the mirror layer of the third coupling element (G3).
  • any combinations can be assembled into a light mixing element.
  • a coupling element with two angular bevels at an angle of 45 ° is used in the central area of the structure (G2).
  • the other two coupling elements are provided with a flat surface (coupling surface (5) and decoupling surface (4)) and each with a beveled surface at 45 °.
  • the angled surfaces are provided with a wave-selective coating.
  • the splitter mirror coating (14) on the LED 2 (13) consists of a blue-reflecting layer which allows other wavelengths (here in particular the wavelength (green) emitted by the LED1) to pass through.
  • the partial mirror coating (14) on the LED3 (12) consists of a red-reflecting layer that allows all other wavelengths (in particular the wavelengths emitted by the LED1 and LED3 (green and blue)) to pass through.
  • the coupling element sections used here are of the same square cross-section, which is sized in size so that both the coupling point (5) and in the corresponding planar cladding regions (16), the high-power LED can be coupled directly.
  • the decoupling point (4) of the entire optical component e.g. a fiber optic bundle (3) are coupled. It is also possible, following the decoupling point (4) to arrange an arbitrarily constructed optical system of a plurality of lenses or lens groups, which assumes an additional beam shaping of the decoupled beams. Such optics are e.g. needed to focus on a micromechanical tilting mirror element (MEMS) for video beamer.
  • MEMS micromechanical tilting mirror element
  • this coupling element can be used in a structure such as in Figure 15, for example, to couple the radiation of a white light LED and an ultraviolet LED or even an additional infrared LED to a common decoupling point.
  • the design according to Figure 15 is not limited in its construction to the use of 3 LEDs. Using the assembly principles outlined in Figures 14 and 15, either only 2 LEDs or 4 or more LEDs can be coupled together.
  • Figure 16 shows that with the coupling element according to the invention a mixture of the emission of several small LEDs, e.g. SMD LED can be made, in the Biid a square coupling element (G5) with plan ground Einkoppel- and Auskopel- peltension shown.
  • a total of 6 pieces SMD LED (1) are cemented.
  • To the decoupling side (4) can now turn again, e.g. a fiber optic cable or a subsequent optical system are coupled.
  • LEDs with the same wavelength e.g white light LED
  • This coupling element according to the invention can also be advantageously integrated into light guide neck of endoscopes. Since in the endoscopes usually wide-angle optical fibers can be used, here is the possibility to couple a solid angle of about 120 °. This is not possible with the commonly used fiber cones. With the coupling element according to the invention higher light powers with higher solid angles can be coupled into endoscopes for the first time at this point. LIST OF REFERENCES
  • n 7 refractive indices of the cladding glass layers
  • n k refractive index of the core glass
  • n m refractive index of the cladding
  • a lateral dimension 1 of a rectangular coupling-in side

Abstract

Coupling element for the coupling of LED to fibre bundle for endoscopy, as glass bodies having, on the two end faces, identical or different geometry, which are embodied in a circular fashion, in rectangular fashion or in any desired form and are thus adapted to LED coupling surfaces and to fibre bundle coupling surfaces, and wherein the coupling element is constructed from a glass core and a plurality of at least 3 to 10 successive glass claddings and these cladding layers have identical or different thicknesses and each cladding layer consists of glass having a different refractive index, wherein the thicknesses and the refractive indices of the cladding layers are selected according to the calculation and optimum beam guidance of the LED beams to be coupled in and of the required beams to be coupled out for coupling‑out into a fibre bundle or a forwarding optical system.

Description

Koppelelement für die Kopplung von LED an Faserbündel  Coupling element for the coupling of LED to fiber bundles
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Koppelelement für die Kopplung von LED verschiedener Größe und Ausführungsformen an Faserbündeln in der Endoskopie. The present invention relates to a coupling element for the coupling of LEDs of different sizes and embodiments to fiber bundles in endoscopy.
In den letzten Jahren haben Leuchtdioden (LED, light emitting diodes), die ein weißes Licht emittieren, Eingang in Beleuchtungen für die Endoskopie gefunden. Dabei geht es im Wesentlichen darum, möglichst viel des von erhältlichen LED-Bauelementen emittierten Lichtes in Faserbündel unterschiedlicher Durchmesser einzukoppeln. LED- Bauelemente werden sowohl als Chip-LED, als auch mit aufgesetzter Linse, oder auch mit Fenster angeboten und besitzen sehr unterschiedliche Abmessungen. In recent years, light emitting diodes (LEDs) that emit a white light have found entrance into illuminations for endoscopy. The main aim is to couple as much as possible of the light emitted by available LED components into fiber bundles of different diameters. LED components are offered both as a chip LED, as well as attached lens, or with windows and have very different dimensions.
Es sind sehr viele Lösungen offeriert worden, das emittierte Licht dieser LED in Faser- bündel zu koppeln. Dies kann auf klassische Weise mittels Linsen geschehen, wie es z.B. in DE 10 2007 027 615 und in WO 2010/055971 beschrieben und in vielen anderen Anwendungen gezeigt wird. Die bisher hierzu vielfältigen Ausführungen von Linsensystemen in Patentschriften und in Veröffentlichungen haben den entscheidenden Nachteil, dass Optiksysteme aus mehreren Linsen (z.B. Kollimatorsysteme) aufgebaut werden müssen. Die Linsensysteme sind zudem sehr groß und teuer. Die Durchmesser dieser Linsensysteme sind bei Übertragung der meist großen Abstrahlwinkel der LED meist viel größer als die LED und die Faserbündel selbst. Um die optischen Ubertragungswege dieser Optiken klein zu halten und den notwendigen Bauraum zu minimieren, müssen die eingesetzten Linsen sehr kurzbrennweitig sein. Teilweise müssen Asphären eingesetzt werden, um die erforderliche Winkeltransformation für eine Einkopplung in Faserbündel zu realisieren. Aufgrund der Anzahl der eingesetzten Linsen geht ein Teil des emittierten Lichtes der LED durch Reflexion und Streuung an den Linsenflächen verloren, was besonders nachteilig ist. Many solutions have been offered to couple the emitted light of this LED into fiber bundles. This can be done in the classical way by means of lenses, as described for example in DE 10 2007 027 615 and in WO 2010/055971 and shown in many other applications. The hitherto diverse designs of lens systems in patents and in publications have the decisive disadvantage that optical systems have to be constructed from a plurality of lenses (eg collimator systems). The lens systems are also very large and expensive. The diameters of these lens systems are usually a lot when transmitting the usually large beam angle of the LED larger than the LED and the fiber bundles themselves. In order to keep the optical transmission paths of these optics small and to minimize the necessary space, the lenses used must be very short focal length. In some cases, aspheres have to be used to realize the required angular transformation for coupling into fiber bundles. Due to the number of lenses used, a portion of the emitted light of the LED is lost by reflection and scattering on the lens surfaces, which is particularly disadvantageous.
Die Einkopplung in Faserbündel wird auch mittels optischer Elemente aus PMMA (Poly- methylmethacrylat) versucht, die als besondere dreidimensionale Strahlführungsgebilde ausgebildet sind, die in großer Zahl kommerziell angeboten werden. Hier werden rotationssymmetrische Elemente bereitgestellt, die möglichst alle, von der LED in ihren Raumwinkel emittierten Strahlen auffangen und mittels sphärischer oder asphärischer oder auch teilweise reflektierender Flächenteile in eine gewünschte Richtung lenken sollen. Ein Beispiel hierzu zeigt US 2006/0044820, in welcher einige der sehr speziellen Strahlführungs-Bauelemente beschrieben sind. Nachteilig bei diesen Elementen sind deren Abmessungen, da aufgrund der erforderlichen Raumwinkel diese Elemente im Durchmesser mehrfach größer als die LED selbst sind. Nachteilig ist hier auch der sehr hohe Preis für diese präzisionsgedrehten Teile bei kleinen Stückzahlen. Für neu zu entwickelnde Endoskope ist eine Anpassung dieser Elemente meist nur durch eine Neuberechnung und individuelle Anfertigung möglich. Das trifft ebenso auf die zu verwendenden LED zu. Für jeden LED-Typ muss ein spezielles Element berechnet und hergestellt werden. The coupling into fiber bundles is also attempted by means of optical elements made of PMMA (polymethyl methacrylate), which are designed as special three-dimensional beam guiding structures, which are commercially available in large numbers. Here, rotationally symmetric elements are provided which are intended to catch as many as possible of all the rays emitted by the LED in their solid angle and to guide them in a desired direction by means of spherical or aspherical or even partially reflecting surface parts. An example of this is shown in US 2006/0044820, in which some of the very special beam-guiding components are described. A disadvantage of these elements are their dimensions, since due to the required solid angle, these elements are several times larger in diameter than the LED itself. The disadvantage here is also the very high price for these precision turned parts in small quantities. For newly developed endoscopes, an adaptation of these elements is usually only possible through recalculation and customization. This also applies to the LED to be used. For each type of LED, a specific element must be calculated and manufactured.
Ähnlich wie die beschriebenen Strahlführungselemente sind auch hochspezielle Reflektoren für LED entwickelt worden (wie z.B. in WO 2005/062099 beschrieben), die möglichst alle emittierten Lichtstrahlen sammeln und in eine Richtung lenken sollen. Bei beiden Strahlführungsbauteilen, den optischen Elementen und den Reflektoren besteht der große Nachteil, dass bei der absichtlich erzwungenen guten Winkelkonversion die Austrittsflächen sehr groß werden und somit ein großer Anteil der Strahlung nicht in die Faserbündel eingekoppelt werden kann. Similar to the beam guiding elements described, highly specific reflectors for LEDs have also been developed (as described, for example, in WO 2005/062099), which are intended to collect as much as possible all emitted light beams and direct them in one direction. In the case of both beam guidance components, the optical elements and the reflectors, there is the great disadvantage that in the deliberately forced good angular conversion the exit surfaces become very large and thus a large proportion of the radiation can not be coupled into the fiber bundles.
Zur Einkopplung des Lichtes der LED ist es sehr viel besser als mit Linsensystemen möglich, die Faserbündel und die LED-Chipflächen in direkten Kontakt miteinander zu bringen, wie es in der US 7,229,201 ausführlich beschrieben wurde (sog. Stoßkopplung). Hier wurden bisher gegenüber allen anderen bekannten Verfahren die besten Einkoppelergebnisse erzielt. Der Nachteil dieser Stoßkopplung besteht darin, dass die kommerziell erhältlichen Faserbündel-Durchmesser oder auch die in den Endoskopen zur Anwendung kommenden Faserbündel-Durchmesser nicht an alle gängigen LED-Chipgrößen ange- passt sind bzw. nicht angepasst werden können. In der beschriebenen US-Patentschrift sind die dargestellten Faserbündel kleiner als der eigentliche LED-Chip dargestellt, was generell zu Verlusten in den Ecken führt (Inkreis). Da die LED-Chips in der Regel quadratisch oder rechteckig sind, ist es zur vollen Lichtübertragung notwendig, bei einer Stoßkopplung mit runden Faserbündelflächen Faserbündel-Durchmesser zu verwenden, die größer sind als die LED-Chipfläche (Umkreis). Damit verbunden wäre bei vielen LED eine Verletzungsgefahr für die Bonddrähte. Auch in der US 2003/0219207 wird ein auf die LED-Chipfläche aufgesetztes Faserbündel beschrieben, welches aufgrund der Bonddrähte kleiner sein muss als die gesamte Chipfläche. In dieser Patentschrift wird auch abweichend von allen bekannten realisierten LED, eine konkave LED-Chipfläche beansprucht, was besonders nachteilig ist. For coupling the light of the LED, it is much better possible than with lens systems to bring the fiber bundles and the LED chip areas into direct contact with one another, as has been described in detail in US Pat. No. 7,229,201 (so-called shock coupling). Here, the best Einkoppelergebnisse have been achieved over all other known methods. The disadvantage of this shock coupling is that the commercial available fiber bundle diameter or the fiber bundle diameter used in the endoscopes are not adapted to all common LED chip sizes or can not be adapted. In the described US patent, the illustrated fiber bundles are shown smaller than the actual LED chip, which generally leads to losses in the corners (inscribed circle). Since the LED chips are typically square or rectangular, it is necessary for full light transmission to use fiber bundle diameters larger than the LED chip area (perimeter) for butt coupling with round fiber bundle surfaces. This would be associated with many LEDs a risk of injury to the bonding wires. US 2003/0219207 also describes a fiber bundle placed on the LED chip surface, which, due to the bonding wires, must be smaller than the entire chip surface. Deviating from all known realized LED, this patent also claims a concave LED chip surface, which is particularly disadvantageous.
Auch für die LED, die eine auf den Chip aufgeklebte Linse aufweisen, ist eine Einkopp- lung in ein Faserbündel derart möglich, indem das Faserbündel direkt auf die Linsenkuppe oder auf ein Fenster vor dem Chip aufgesetzt wird, wie es z.B. in der US 2009/0040783 beschrieben wird. Auch das Entfernen der Linsen oder das Abschleifen von vorhandenen Linsen auf LED-Bauelementen sind in diesen Veröffentlichungen beschrieben. Der Nachteil einer Kopplung von Faserbündeln auf Linsenkuppen von LED oder auf gefensterte LED-Chips besteht darin, dass, je weiter entfernt vom LED-Chip das Empfangs-Faserbündel angeordnet wird, aufgrund der Strahldivergenz der von der LED emittierten Strahlen die Fläche des Strahlenquerschnittes größer wird. Damit müssten zur möglichst effektiven Übertragung der in den Raumwinkel emittierten Strahlung die Durchmesser der Faseroptikbündei mit zunehmendem Abstand vom Chip größer gewählt werden, was in der Regel nicht immer möglich ist. Es ist zu sehen, dass Verfahren der Stoßkopplung und der Kopplung auf Linsen aufgrund schlechter flächenmäßiger Anpassung eine nicht ausreichende Koppeleffizienz bringen können und nicht für alle, z.B. in einem Endoskop eingebauten, Faserbündel geeignet sind. Also for the LEDs having a lens glued on the chip, coupling into a fiber bundle is possible by placing the fiber bundle directly on top of the lens or on a window in front of the chip, as e.g. in US 2009/0040783. The removal of the lenses or the grinding of existing lenses on LED components are described in these publications. The disadvantage of a coupling of fiber bundles on lens caps of LED or on windowed LED chips is that the farther away from the LED chip the receiving fiber bundle is arranged, due to the beam divergence of the rays emitted by the LED, the area of the beam cross section becomes larger , In order for the most effective possible transmission of radiation emitted into the solid angle, the diameter of the fiber optic bundle would have to be made larger with increasing distance from the chip, which is not always possible as a rule. It can be seen that due to poor areal matching, methods of butt coupling and coupling to lenses can not provide sufficient coupling efficiency, and not for all, e.g. Built in an endoscope, fiber bundles are suitable.
Um bei diesen Verfahren der Stoßkopplung oder des direkten Aufsetzens auf LED-Chips oder Linsenkuppen oder Fenster möglichst viele emittierte Lichtstrahlen zu erfassen, sind vielfach Faserkegel zur Anwendung gekommen. Wie z.B. in US 2009/0122573 beschrieben, wird der Faserkegel zur Aperturwandlung und Größenanpassung genutzt, indem er mit seinem kleinen Durchmesser auf den LED-Chip aufgesetzt wird und der große Durchmesser des Faserkegels in Kontakt mit dem zu nutzenden Faserbündel kommt. Die Nachteile hierbei sind ebenfalls die Anpassung der Durchmesser der kleinen Seite des Faserkegels an den LED-Chip, der ja als Umkreis um den LED-Chip ausgeführt werden muss um möglichst viele Strahlen aufzunehmen, wobei dann evtl. Bonddrähte beschädigt werden können. In order to detect as many emitted light beams as possible in these methods of butt coupling or direct placement on LED chips or lens caps or windows, fiber cones have been used in many cases. As described, for example, in US 2009/0122573, the fiber cone is used for aperture conversion and sizing by placing it with its small diameter on the LED chip and the large diameter of the fiber cone comes into contact with the fiber bundle to be used. The Disadvantages here are also the adaptation of the diameter of the small side of the fiber cone to the LED chip, which must indeed be performed as a perimeter around the LED chip to record as many rays, then possibly bonding wires can be damaged.
Bekannte Faserkegel und auch bekannte Glaskegel haben unterschiedliche Durchmesser der Einkoppel- und Auskoppelflächen. Hier soll der Begriff Aspektverhältnis verstanden werden als der Quotient der kleineren (z.B. Ein-) Koppelfläche zur größeren (z.B. Aus-) Koppelfläche. Die Verwendung einer der Flächen als Einkoppelfläche ist auf die jeweilige, spezielle Aufgabe bezogen. Bei der Kopplung von LED an Faseroptiken in der Endoskopie geht es darum, möglichst den gesamten Lichtstrom der LED im Raumwinkel zu sammeln und diesen in die Faseroptiken in den üblichen Kabeln oder in Endoskopen einzuspeisen. Da die Raumwinkel der LED in der Regel sehr viel größere Winkel aufweisen, als die übertragbaren Aperturen der handelsüblichen verbauten Glasfasern zu lassen, wird bei dem überwiegenden Teil der Koppelaufgaben der kleinere Kegeldurch- messer als Einkoppelfläche genutzt und der LED zu gewandt eingebaut werden. Bei dieser Konfiguration wird der große eingekoppelte Raumwinkel gemäß dem Aspektver- häitnis in einen kleinen Raumwinkel an der Auskoppelfläche bereit gestellt werden. In den folgenden Ausführungen wird von dieser Konfiguration ausgegangen. Known fiber cones and also known glass cones have different diameters of the coupling and decoupling surfaces. Here, the term aspect ratio is to be understood as the quotient of the smaller (e.g., on) coupling surface to the larger (e.g., off) coupling surface. The use of one of the surfaces as a coupling surface is based on the respective, specific task. When coupling LEDs to fiber optics in endoscopy, it is important to collect as much as possible the total luminous flux of the LED in the solid angle and to feed this into the fiber optics in the usual cables or in endoscopes. Since the solid angles of the LEDs generally have much larger angles than the transmittable apertures of commercially available installed glass fibers, in the majority of the coupling tasks, the smaller cone diameter is used as the coupling surface and the LED is installed too skilfully. In this configuration, the large coupled solid angle will be provided according to the aspect ratio in a small solid angle at the decoupling surface. The following statements assume this configuration.
Die Ausführungsformen aller bekannten LED-Chips sind quadratisch oder rechteckig, die Ausführungsformen bekannter Lichtleitkabel-Einkopplungsflächen sind rund, so dass hier eine nicht angepasste Flächenkopplung vorliegt. Wird der einkoppelnde Durchmesser gleich oder größer gewählt, wie die Diagonale eines quadratischen LED-Chips (Umkreis), so sind Anteile (Kreisabschnitte) vorhanden, in denen kein Licht übertragen wird. Wird der Durchmesser eines z.B. auf Stoßkopplung gekoppelten Lichtleitkabels kleiner oder gleich gewählt, wie der Durchmesser des Innenkreises eines quadratischen LED-Chips (Inkreis), so geht ebenfalls Strahlung des Chips, die aus den überstehenden Randbereichen kommt, verloren. Problematisch wird dies, wenn LED-Bauelemente mit Linsen genutzt werden. Hier muss die aufzusetzende Lichtleitbündel-Einkopplungsfläche einen sehr viel größeren Durchmesser als der LED-Chip aufweisen, um alle Strahlen zu erfassen, was wieder zu Lasten eines bestangepassten Aspektverhältnisses geht. The embodiments of all known LED chips are square or rectangular, the embodiments of known Lichtleitkabel coupling surfaces are round, so that there is an unmatched surface coupling. If the coupling diameter is chosen to be equal to or greater than the diagonal of a square LED chip (circumference), then portions (circular sections) are present in which no light is transmitted. If the diameter of a e.g. If the light guide cable coupled to the shock coupling is chosen to be smaller or the same as the diameter of the inner circle of a square LED chip (incircle), radiation of the chip coming from the protruding edge regions is likewise lost. This is problematic when LED components are used with lenses. Here, the fiber optic interface to be patched must have a much larger diameter than the LED chip to detect all beams, again at the expense of a best fit aspect ratio.
Wird hier z.B. ein bekannter, handelsüblicher Faserkegel oder auch ein bekannter, handelsüblicher Glaskegel zur Kopplung benutzt, dann sind diese Fehlanpassungen aufgrund der kreisförmigen Geometrie der Einkoppelfläche vorhanden. Zusätzlich kommt beim Faserkegel oder Glaskegel die Winkelkonversion zwischen Einkoppelfläche und Auskoppelfläche als zu berücksichtigender Parameter hinzu. If, for example, a known, commercially available fiber cone or else a known, commercially available glass cone is used for the coupling, then these mismatches are present due to the circular geometry of the coupling surface. In addition comes For the fiber cone or glass cone, add the angle conversion between the coupling surface and the coupling-out surface as the parameter to be taken into account.
Damit wird es sehr schwierig, bei vorgegebenen LED-Bauelementen und vorgegebenen Bündeldurchmessern von Beleuchtungsfaserbündeln in der Endoskopie entsprechende Faserkegel oder Glaskegel mit kreisförmigen Ein- und Auskoppelflächen zu finden, die ein angepasstes Aspektverhältnis (kleiner Durchmesser zu großer Durchmesser) für einen minimalen Verlust haben. This makes it very difficult to find corresponding fiber cones or glass cones with circular input and output surfaces with given LED components and given bundle diameters of illumination fiber bundles in the endoscopy, which have an adapted aspect ratio (small diameter to large diameter) for a minimal loss.
Die handelsüblichen Faserkegel haben an beiden Koppelstellen verschmolzene Fasern, so dass eine sehr hohe Packungsdichte der einzelnen Fasern erhalten wird, die eine hohe Leistungsübertragung zur Folge hat. Um außerdem eine gute Übertragung der Lichtleistung im Raumwinkel zu gewährleisten, sollte dieser Faserkegel Fasern mit einer hohen numerischen Apertur enthalten. Die numerische Apertur der Fasern eines Faserkegels (oder auch eines Giaskegels) berechnet sich zu: The commercially available fiber cones have fused fibers at both coupling points, so that a very high packing density of the individual fibers is obtained, which results in a high power transmission. In addition, to ensure a good transmission of the light power in the solid angle, this fiber cone should contain fibers with a high numerical aperture. The numerical aperture of the fibers of a fiber cone (or of a cogia cone) is calculated as:
NA=v(nk 2-nm 2) nk = Brechzahl (Brechungsindex) im Kern nm = Brechzahl (Brechungsindex) im Mantel wobei nk > nm NA = v (n k 2 -n m 2) n k = index of refraction (refractive index) in the core n m = refractive index (refractive index) in the casing where n k> n m
Um die bei handelsüblichen LED üblichen Raumwinkel von 130° bis 160° erfassen und übertragen zu können, wären gemäß NA= sin (0,5 - 130°) = 0,91 In order to be able to detect and transmit the conventional solid LED spatial angles of 130 ° to 160 °, according to NA = sin (0.5-130 °) = 0.91
Aperturen von größer gleich 0,9 notwendig. Apertures greater than or equal to 0.9 are necessary.
Faserkegel mit einer hohen Apertur und zusätzlich verschmolzenen Einkoppel- und Auskoppel-Flächen sind nicht standardmäßig erhältlich und nur mit einer teuren Technologie herstellbar. Ebenso sind andere als runde Einkoppel- und Auskoppelflächen- Geometrien nicht erhältlich. Faserkegel der Firma INCOM, USA werden mit hohen Aperturen bis 0,9 mit sehr kleinen Faserdurchmessern offeriert. Die von dieser Firma ebenfalls offerierten Faserkegel mit quadratischen oder rechteckigen Flächengeometrien entspre- chen nicht der zu einer effektiven Kopplung zwischen LED und Faserbündeln geforderten Aufgaben der Lichtkopplung, da hier ein runder Durchmesser durch Abschleifen von Fasern auf eine rechteckige Geometrie gebracht wird und demzufolge Rand-Fasern von der Lichtführung ausgeschlossen sind. Durch den sehr kleinen Durchmesser der Fasern in diesen angebotenen Faserkegeln treten zusätzlich höhere Verluste auf. Fiber cones with a high aperture and additionally fused coupling and decoupling surfaces are not available as standard and can only be produced with expensive technology. Likewise, other than round coupling and Auskoppelflächen- geometries are not available. Fiber cones from INCOM, USA are offered with high apertures up to 0.9 with very small fiber diameters. The fiber cones also offered by this company with square or rectangular surface geometries correspond Not the required for an effective coupling between LED and fiber bundles tasks of light coupling, since here a round diameter is brought by grinding of fibers to a rectangular geometry and consequently edge fibers are excluded from the light guide. Due to the very small diameter of the fibers in these offered fiber cones occur in addition to higher losses.
Für die Kopplung von LED auf Faserbündel stehen handelsüblich auch Glaskegel zur Verfügung, die aus einem Glaskern und einem Glasmantel bestehen mit Brechzahlverhältnissen, die eine Reflexion im Inneren ähnlich wie bei einer einzelnen Glasfaser zulassen. Die Abmessungen der Glaskegel bewegen sich im Bereich der Durchmesser der zu verwendenden Faserbündel zur Lichtübertragung in den Endoskopen. Auch bei den Glaskegeln sind handelsüblich keine hohen Aperturen und keine anders als rund geformten Einkoppel- und Auskoppelflächen verfügbar. For the coupling of LED to fiber bundles are commercially available and glass cone available, which consist of a glass core and a glass jacket with refractive index ratios that allow a reflection in the interior similar to a single glass fiber. The dimensions of the glass cones move in the range of the diameter of the fiber bundles to be used for light transmission in the endoscopes. Even with the glass cones, there are no commercially available high apertures and no other than round shaped coupling and decoupling surfaces.
Bei einem Glaskegel mit einem großen Auskoppeldurchmesser gibt es zwei Strahlen- Anteile des übertragenen Raumwinkels, einmal einen„direkten" Anteil im Kernglas selbst, welcher relativ unbeeinflusst durch den Glaskörper übertragen wird und der im Wesentlichen parallele Strahlenanteile enthält und einen Anteil, der durch die Reflexionen in den Randbereichen des Glaskegels übertragen wird. Damit wird der Strahlenkegel bei einem großen Auskoppeldurchmesser der Auskoppelstelle sehr stark durch die mittleren Strahlungsanteile bestimmt und der sich ergebende Raumwinkel an der Auskoppelseite ist sehr klein. Verringert man den Auskoppeldurchmesser bei gleich bleibendem Einkoppeldurchmesser, d. h. erhöht man das Aspektverhältnis (kleiner Durchmesser geteilt durch großer Durchmesser = nahe 1 ,00), so ergibt sich eine Vergrößerung des ausgekoppelten Raumwinkels bis zur maximalen Übertragungsapertur an der Auskoppelstelle, weil die direkten Anteile gegenüber den reflektierten Anteilen abgeschwächt werden. Damit können bei Glaskegeln nur maximale Raumwinkel an der Auskoppelstelle erreicht werden, die in der Größenordnung der Kern-Mantel-Apertur nach der o.g. Formel liegen. Zusätzlich entstehen in einem Glaskegel Verluste derart, dass Strahlenanteile, die nicht im Aperturwinkel bleiben, in den Mantel gestreut werden und verloren gehen. In a glass cone having a large coupling-out diameter, there are two ray portions of the transmitted solid angle, once a "direct" portion in the core glass itself, which is transmitted relatively unaffected by the glass body and contains substantially parallel beam portions and a portion due to the reflections In the case of a large coupling-out diameter of the decoupling point, the cone of rays is thus determined very strongly by the average radiation components and the resulting solid angle at the decoupling side is very small Aspect ratio (small diameter divided by large diameter = near 1, 00), so there is an increase in the decoupled solid angle to the maximum transmission aperture at the decoupling point, because the direct shares against the reflected Antei be mitigated. Thus, with glass cones only maximum solid angles can be achieved at the decoupling point, which in the order of magnitude of the core-shell aperture after the o.g. Formula lie. In addition, losses occur in a glass cone in such a way that radiation components which do not remain at the aperture angle are scattered into the cladding and are lost.
Es ist also beim Einsatz von Faserkegeln nachteilig, dass für eine effektive Kopplung hohe Kosten für eine Ausführung mit hoher Apertur entstehen. Zudem ist eine Ausführung von Faserkegeln mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt, an welchem alle Fasern lichtführend sind, nicht erhältlich. Zusätzlich kommen die inneren Verluste hinzu, die die Koppeleffizienz beeinträchtigen. Beim Einsatz von Giaskegein ist es nachteilig, dass der ausgekoppelte Raumwinkel stark durch das Aspektverhältnis beeinflusst und durch das verwendete Kern-Mantel- Brechzahlverhältnis begrenzt wird sowie die Verluste durch die Streuung von Strahlen in den absorbierenden Mantel hoch sind. It is therefore disadvantageous in the use of fiber cones that arise for an effective coupling high cost of execution with high aperture. In addition, a design of fiber cones with square or rectangular cross section, on which all fibers are light-guiding, not available. In addition, the internal losses are added, which affect the coupling efficiency. When using Giaskegein, it is disadvantageous that the decoupled solid angle is strongly influenced by the aspect ratio and limited by the used core-shell refractive index ratio and the losses are high by the scattering of rays in the absorbent shell.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, ein Koppelelement zur Einkopplung von LED- Licht handelsüblicher LED in die in der Endoskopie verwendeten Faserbündel von Endoskopen oder Lichtleitkabeln oder in die für andere lichttechnische Anwendungen verwendeten optischen Baueinheiten zu schaffen, wobei die oben beschriebenen Nachteile aller beschriebenen Koppelelemente möglichst vermieden werden sollen. The present invention aims to provide a coupling element for coupling LED light commercially available LED in the fiber bundles used in endoscopy of endoscopes or optical cables or in the optical components used for other lighting applications, the disadvantages of all described coupling elements described above as possible should be avoided.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein beispielsweise zylindrisch geformtes Koppelelement aus einem Kern, der vorzugsweise aus Glas besteht, und mehreren quer zur Längsrichtung, aufeinander folgenden Mantelschichten mit abgestimmten unterschiedlichen Brechzahlen aufgebaut ist. Die Mantelschichten bestehen ebenfalls jeweils vorzugsweise aus Glas und werden daher im Folgenden auch als Mantelgläser oder Glasmäntel bezeichnet und folgen in radialer Richtung so aufeinander, dass sie eine jeweils weiter innenliegende Mantelschicht oder den Kern ummanteln und sich möglichst in Längsrichtung des Koppelelementes über dessen vollständige Länge erstrecken, die dabei durch Anschliffe örtlich begrenzt sein kann. The object is achieved in that a, for example, cylindrically shaped coupling element of a core, which preferably consists of glass, and a plurality of transverse to the longitudinal direction, successive cladding layers is constructed with matched different refractive indices. The cladding layers likewise each preferably consist of glass and are therefore also referred to below as cladding glasses or glass sheaths and follow one another in the radial direction in such a way that they encase a further inner sheath layer or the core and extend as far as possible in the longitudinal direction of the coupling element over its entire length , which can be localized by polished sections.
Es wird somit ein Koppelelement für die Kopplung von LED an Faserbündel oder andere optische Elemente, insbesondere für die Endoskopie, vorgeschlagen, bei dem eine Längsrichtung des Koppelelementes von einer Einkoppelfläche des Koppelelementes zu einer Auskoppelfläche des Koppelelementes verläuft und das Koppelelement aus einem, sich in Längsrichtung erstreckenden, lichtleitenden Kern und mehreren, in radialer Richtung quer zur Längsrichtung aufeinanderfolgenden lichtleitenden, den Kern umschließenden Mantelschichten mit voneinander abweichenden Brechzahlen aufgebaut ist, wobei Brechzahlen und Schichtdicken der Mantelschichten so aufeinander abgestimmt sind, dass die bei einem durch die numerische Gesamtapertur (Θ =arctan nm/NA) des Koppelelements vorgegebenen Einkoppelwinkel aus einer Mantelschicht herausfallenden Strahlen durch Mehrfachreflexion in wenigstens einer anderen Mantelschicht einen entsprechenden (Ausbreitungs-) winkel erhalten, der dazu führt, dass diese in einer anderen Schicht wieder durch Totalreflexion weiter geleitet werden. Unter Ausbreitungswinkel wird hier der Winkel eines jeweiligen Lichtstrahls in Bezug auf die Längsrichtung des Koppelelementes verstanden. Vorzugsweise besitzt das Koppelelement eine numerische Apertur größer 0,8 und besonders bevorzugt größer 0,9 und ist zur Kopplung an Faserbündel oder andere optische Elemente mit einem Durchmesser größer 4 mm ausgebildet. Faserbündel für die Endoskopie haben i.d.R. Durchmesser von mehr als 4 mm oder 5 mm. It is thus a coupling element for the coupling of LED fiber bundles or other optical elements, in particular for endoscopy, proposed in which a longitudinal direction of the coupling element from a coupling surface of the coupling element extends to a coupling-out of the coupling element and the coupling element of one, in the longitudinal direction extending, photoconductive core and a plurality, in the radial direction transverse to the longitudinal direction successive light-conducting, the core enclosing cladding layers is constructed with divergent refractive indices, wherein refractive indices and layer thicknesses of the cladding layers are coordinated so that at one by the numerical Gesamtapertur (Θ = arctan n m / NA) of the coupling element predetermined Einkoppelwinkel from falling out of a cladding layer rays by multiple reflection in at least one other cladding layer a corresponding (propagation) angle obtained, which causes them in another layer be redirected by total reflection. Propagation angle is understood here to mean the angle of a respective light beam with respect to the longitudinal direction of the coupling element. Preferably, the coupling element has a numerical aperture greater than 0.8 and more preferably greater than 0.9 and is designed for coupling to fiber bundles or other optical elements with a diameter greater than 4 mm. Fiber bundles for endoscopy usually have diameters of more than 4 mm or 5 mm.
Vorzugsweise bestehen der Kern und die Mantelschichten aus Glas, so dass der Kern von mehreren Glasmänteln umgeben ist. Eine Mantelschicht aus Glas wird im Rahmen dieser Beschreibung auch als Glasmantel bezeichnet Alternativ kann das Koppelelement aus einer Multi-Step-Index-Kunststoff-Preform (MSI-POF) hergestellt sein. Preferably, the core and the cladding layers are made of glass so that the core is surrounded by a plurality of glass claddings. In the context of this description, a cladding layer of glass is also referred to as a glass cladding. Alternatively, the coupling element can be produced from a multi-step index plastic preform (MSI-POF).
Ganz besonders bevorzugt ist ein Koppelelement dessen Mantelschichten jeweils aus homogenem Glas mit einer jeweils definierten Brechzahl bestehen, wobei die Gläser der Mantelschichten aus handelsüblichen Gläsern mit entsprechendem Brechungsindex hergestellt sind. Mit derartigen Mantelschichten ist eine hohe Apertur über die Schichtung erreichbar. Eine geeignete Kombination von Giäsern ist beispielsweise (von Kern hin zur äußeren Mantelschicht): Very particular preference is a coupling element whose cladding layers each consist of homogeneous glass with a respective defined refractive index, wherein the glasses of the cladding layers are made of commercially available glasses with a corresponding refractive index. With such cladding layers, a high aperture can be achieved via the layering. For example, a suitable combination of glasses is (from core to outer cladding layer):
Kern SF6, SF4, SF1 , SF2, F8, Außenmantel LF8 Core SF6, SF4, SF1, SF2, F8, outer sheath LF8
Außerdem ist eine Ausführungsvariante bevorzugt, bei der das Koppelelement mindestens 3, bevorzugt 5 bis 10 aufeinanderfolgende Mantelschichten besitzt In addition, an embodiment variant is preferred in which the coupling element has at least 3, preferably 5 to 10 successive cladding layers
Die Mantelschichten des Koppelelementes bilden vorzugsweise aufeinanderfolgende Glasmäntel mit einer jeweiligen Brechzahl, so dass die Brechzahlen vom Kern zum äußeren Mantel in ihrem Wert abnehmen. Vorzugsweise sind die Brechzahlen der aufeinanderfolgenden Glasmäntel vom Kern zum äußeren Glasmantel in ihrem Wert untereinander nach einer berechneten Strahlführung ausgeführt. The cladding layers of the coupling element preferably form successive glass shells with a respective refractive index, so that the refractive indices decrease in their value from the core to the outer sheath. The refractive indices of the successive glass shells from the core to the outer glass sheath are preferably designed with respect to each other according to a calculated beam guidance.
Die Schichtdicken der aufeinanderfolgenden Mantelschichten sind vorzugsweise gleich. Alternativ oder zusätzlich sind die Schichtdicken der aufeinanderfolgenden Glasmäntel unterschiedlich gemäß einer berechneten Strahlführung ausgelegt. The layer thicknesses of the successive cladding layers are preferably the same. Alternatively or additionally, the layer thicknesses of the successive glass shells are designed differently according to a calculated beam guidance.
Vorzugsweise sind die Schichtdicken der Mantelschichten größer als 0,1 mm und betragen vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1 mm. Preferably, the layer thicknesses of the cladding layers are greater than 0.1 mm and preferably between 0.5 mm and 1 mm.
Es wurde gefunden, dass der sich an der Auskoppelstelle ergebende Raumwinkel gegenüber einem reinen Glaskegel besser angepasst (z.B. verbreitert) werden kann, wenn ein Koppelelement eingesetzt wird, das aus mehreren Schichten Glas besteht, deren Brechzahlen unterschiedlich sind und deren Schichtdicke unterschiedlich oder gleich groß ist und das auch getapert - also sich in Längsrichtung verjüngend - ausgeführt sein kann. Dieses Koppelelement kann an den Einkoppelflächen und/oder auch an den Auskoppelflächen eine runde, quadratische oder rechteckige Geometrie haben, so dass eine flächenmäßige Anpassung an beliebige LED-Geometrien oder an beliebige geometrisch geformte Faserbündel erfolgen kann. It has been found that the solid angle resulting at the decoupling point can be better adapted (eg widened) compared to a pure glass cone, if a coupling element is used, which consists of several layers of glass whose refractive indices are different and whose layer thickness is different or equal and which also tapers - that can be tapered in the longitudinal direction - executed. This coupling element may have a round, square or rectangular geometry at the coupling surfaces and / or at the decoupling surfaces, so that an areal adaptation to any LED geometries or to any geometrically shaped fiber bundles can take place.
Entsprechende ergeben sich bevorzugte Ausführungsvarianten bei denen das Koppelelement als gerader zylindrischer oder prismatischer Körper ausgeführt ist oder als sich in Längsrichtung verjüngender Taper mit voneinander abweichenden Einkoppel- und Aus- koppelflächengrößen ausgeführt ist. Dabei besitzt die Einkoppelfläche und /oder die Auskoppelfläche des Koppelelementes vorzugsweise eine rechteckige, bevorzugt quadratische Form. Corresponding results in preferred embodiments in which the coupling element is designed as a straight cylindrical or prismatic body or designed as tapered in the longitudinal direction Taper with divergent input and output coupling surfaces sizes. In this case, the coupling-in surface and / or the coupling-out surface of the coupling element preferably has a rectangular, preferably square shape.
Das Koppelelement kann runde oder eckige Querschnittsformen aufweisen und entsprechend z.B. eine zylindrische oder prismenförmige Außenform besitzen, mit Stirnflächen, die als Einkoppelfläche bzw. Auskoppelfläche dienen. Sich konisch verjüngende Koppelelemente und/oder in Längsrichtung von einer Form mit rundem Querschnitt auf eine Form mit eckigen Querschnitt übergehende Koppelemente liegen gleichermaßen im Bereich dieser Erfindung und erlauben es die jeweilige Stirnfläche und damit die jeweilige Ein- bzw. Auskoppelfläche in ihrer Form an die LED bzw. die Einkoppelfläche eines jeweiligen Faserbündels anzupassen. The coupling element may have round or angular cross-sectional shapes and correspondingly, e.g. have a cylindrical or prismatic outer shape, with end faces that serve as a coupling surface or decoupling surface. Conically tapered coupling elements and / or in the longitudinal direction of a shape with a round cross-section on a shape with angular cross section passing Koppelemente are equally within the scope of this invention and allow the respective end face and thus the respective input and output surface in their shape to the LED or to adjust the coupling surface of a respective fiber bundle.
In diesem Sinne sind Koppelelemente bevorzugt, deren Einkoppelfläche der Fläche eines jeweils vorgesehenen LED-Bauelements entspricht. Dies sind beispielsweise i.d.R. rechteckige Flächen mit einem Maß zwischen 1 mm2 und 10 mm2. Ein jeweiliges LED- Bauelement und das Koppelelement bilden vorzugsweise eine bauliche Einheit, die einen Anschluss zum Anschließen eines Faserbündels auf Seiten der Auskoppelfläche des Koppelelementes aufweist. In this sense, coupling elements are preferred whose coupling surface corresponds to the surface of a respectively provided LED component. These are, for example, usually rectangular surfaces with a dimension between 1 mm 2 and 10 mm 2 . A respective LED component and the coupling element preferably form a structural unit which has a connection for connecting a fiber bundle on the side of the coupling-out surface of the coupling element.
Als Einkoppelfläche des Koppelelementes wird hier die im Betrieb der LED zugewandte (Stirn-) Fläche bezeichnet, durch die das Licht der LED in das Koppelelement eintritt. Entsprechend wird als Auskoppelfläche des Koppelelementes diejenige (Stirn-) Fläche bezeichnet, die im Betrieb dem Lichtleit-Faserbündel des Endoskops oder einem anderen nachfolgenden optischen Bauelement zugewandt ist und durch die das Licht der LED aus dem Koppelelement austritt und in eine Eintrittsfläche des Faserbündels oder des anderen optischen Bauelementes eintritt. As a coupling surface of the coupling element here the in operation of the LED facing (front) surface is designated, through which the light of the LED enters the coupling element. Accordingly, as a decoupling surface of the coupling element that (front) surface referred to, which faces the optical fiber bundle of the endoscope or another subsequent optical component during operation and by the light of the LED exits the coupling element and enters an entrance surface of the fiber bundle or the other optical component.
Die Auskoppelfläche des Koppelelementes hat vorzugsweise eine Form und auch ein Flächenmaß, die bzw. das der Einkoppelfläche eines Faserbündels entspricht. Das Querschnittsmaß der Auskoppelfläche - bei runden Auskoppelflächen deren Durchmesser - beträgt dementsprechend vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 5 mm. Für die Einkopplung in andere optische Bauelemente, z.B. Linsensysteme, können die Durchmesser oder die Eckmaße des Koppelelementes größer sein, z.B. 8-10mm. The coupling-out surface of the coupling element preferably has a shape and also a surface measure which corresponds to the coupling-in surface of a fiber bundle. The cross-sectional dimension of the decoupling surface - with round outcoupling surfaces whose diameter - is accordingly preferably between 0.5 mm and 5 mm. For coupling into other optical components, e.g. Lens systems, the diameters or corner gauges of the coupling element may be larger, e.g. 8-10mm.
Typischerweise unterscheiden sich die als Einkoppelfläche dienende Stirnfläche des Koppelelementes und die als Auskoppelfläche dienende, andere Stirnfläche des Koppelelementes sowohl hinsichtlich ihrer Form als auch hinsichtlich ihres Flächenmaßes voneinander, vorzugsweise jedoch in wenigstens einem dieser Aspekte. Die Einkoppel- fiäche und die Auskoppelfläche des Koppelelementes sind vorzugsweise als geschliffene und polierte Stirnflächen des Koppelelementes ausgeführt. Eine besonders effektive Übertragung des Lichtes in dem erfindungsgemäßen Koppelelement wird durch die einzelnen numerischen Aperturen erreicht, die durch die Auslegung der Brechungsindizes der einzelnen zueinander in Kontakt stehenden Nachbarschichten entsteht. Überschreiten einige der an der Einkoppelfläche eingekoppelten Strahlen die in der betreffenden Schicht gegenüber einer Nachbarschicht bestehenden Reflexionswinkel 0, der durch die numerische Apertur (0 =arctan nm/NA) vorgegeben ist, so verlassen diese Strahlen diese Schicht und gehen in die im inneren liegende nächste Schicht oder in die weiter außen liegende nächste Schicht über. Die einzelnen Schichten haben somit eine Lichtleitwirkung für die Strahlenanteile, deren Ausbreitungsrichtung den durch die numerische Apertur vorgegebenen Totalreflexionswinkel 0 zwischen benach- harten Schichten nicht übersteigen. Es ist nicht trivial, herauszufinden, wann und in welcher Schicht die aus einer Schicht herausfallenden Strahlen durch Mehrfachreflexion in anderen Schichten einen entsprechenden Winkel erhalten, der dazu führt, dass diese in einer anderen Schicht wieder durch Totalreflexion weiter geleitet werden, jedoch für den Fachmann in Kenntnis der hier beschriebenen Erfindung anhand seines Fachwis- sens möglich. So kann gezeigt werden, dass die Strahlen in einer gekrümmten Form ähnlich, wie bei Gradientenfaser-Bauelementen durch das Koppelelement geführt werden. Es ist bei Strahlendurchrechnung mit verschiedenen LED-Strahlenmodellen ersichtlich geworden, dass diese schichtenmäßige Weiterleitung der Strahlen die besondere Wirksamkeit des erfindungsgemäßen Koppelelementes hervorruft. Ein besonders bevorzugtes Koppelelement besitzt z.B. einen Glaskern und 5 Mantelschichten mit jeweils unterschiedlichen Brechzahlen mit einer Brechzahldifferenz von etwa 0,1 der Schichten zueinander und gleichmäßig abnehmender Brechzahl vom Kern zum äußersten Mantel. Dieses Bauelement hat an der LED-Einkoppelseite einen quadra- tischen Querschnitt und an der Auskoppelseite einen runden Querschnitt. Typically, the end surface of the coupling element serving as a coupling surface and the other end face of the coupling element differing from one another both in terms of their shape and in terms of their surface dimension, but preferably in at least one of these aspects. The Einkoppel- fiäche and the coupling surface of the coupling element are preferably designed as ground and polished end faces of the coupling element. A particularly effective transmission of the light in the coupling element according to the invention is achieved by the individual numerical apertures, which results from the design of the refractive indices of the individual mutually contacting neighboring layers. If some of the beams coupled in at the coupling surface exceed the reflection angle 0 existing in the relevant layer with respect to a neighboring layer, which is given by the numerical aperture (0 = arctan n m / NA), then these beams leave this layer and go into the inner one next layer or in the farther outward next layer over. The individual layers thus have a light-guiding effect for the beam components whose propagation direction does not exceed the total reflection angle 0 between adjacent layers predetermined by the numerical aperture. It is not trivial to find out when and in which layer the rays that fall out of one layer receive a corresponding angle through multiple reflection in other layers, causing them to be redirected to total reflection in another layer, but for those skilled in the art Knowledge of the invention described here based on his expertise possible. Thus, it can be shown that the rays are guided in a curved shape similar to gradient fiber devices through the coupling element. It has become apparent in ray tracing with different LED beam models that this layered transmission of the rays causes the particular effectiveness of the coupling element according to the invention. A particularly preferred coupling element has, for example, a glass core and 5 cladding layers each having different refractive indices with a refractive index difference of about 0.1 of the layers to one another and uniformly decreasing refractive index from the core to the outermost cladding. This component has a square cross section at the LED input side and a round cross section at the output side.
Die einzelnen Mantelschichten sind vorzugsweise dicker als 0,1 mm und haben vorzugsweise eine Schichtdicke zwischen 0,5 mm und 1 mm. The individual cladding layers are preferably thicker than 0.1 mm and preferably have a layer thickness between 0.5 mm and 1 mm.
Die Stirnflächen dieses Koppelelementes sind geschliffen und poliert und mit einer refle- xionsmindernden Beschichtung versehen. Für ein solches Koppelelement ergeben sich folgende für eine Berechnung der Strahlführung zwischen Einkoppelseite und Auskoppelseite wählbaren Parameter: The end faces of this coupling element are ground and polished and provided with a reflection-reducing coating. For such a coupling element, the following parameters result for a calculation of the beam guidance between coupling side and coupling-out side:
Es kann ein beliebiges Aspektverhältnis gewählt werden Any aspect ratio can be chosen
Es kann die Anzahl der Mantelgläser (Mantelschichten) ausgewählt werden The number of cladding glasses (cladding layers) can be selected
Es kann die Dicke der Mantelgläser (Mantelschichten) ausgewählt werden - Es können Gläser in Bezug auf ihre Brechzahlen für die Verwendung ausgewählt werden The thickness of the cladding glasses (cladding layers) can be selected. Glasses can be selected for use in terms of their indices of refraction
Es können Gläser-Paarungen gewählt werden, die im Koppelelement einen bestimmten Brechzahlverlauf vom Kern zum äußersten Mantel bewirken It can be selected lens pairings, which cause a certain refractive index profile from the core to the outer shell in the coupling element
Es können die Querschnitte der Einkopplungs- und Auskopplungsseite gewählt werden (rund; quadratisch; rechteckig) The cross-sections of the coupling-in and coupling-out sides can be selected (round, square, rectangular)
Es kann die äußerste Schicht außen verspiegelt werden The outermost layer can be mirrored on the outside
Durch die Wahl entsprechender Gläser kann die Transmission des Koppelelementes für verschiedene Wellenlängen optimiert werden By choosing appropriate glasses, the transmission of the coupling element can be optimized for different wavelengths
Mit der Wahl dieser Parameter können mit den zur Verfügung stehenden Gläsern ent- sprechende Koppelelemente für ein gewünschtes Ergebnis berechnet werden. Vorteilhaft ist es, dass die zu verwendenden Gläser in ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und ihrer Viskosität annähernd übereinstimmen sollten, um ein kompakt verschmolzenes Koppelelement zu schaffen. By selecting these parameters, corresponding coupling elements for a desired result can be calculated with the available glasses. Advantageous is that the glasses to be used should approximate in their coefficients of thermal expansion and viscosity to provide a compact fused coupling element.
Dieses Koppelelement kann nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Es ist sowohl als Einzelbauelement herstellbar, indem die Glasmäntel als vorgefertigte Rohre übereinander geschoben werden und das gesamte Bauelement in einem Ofen kollabiert. Es kann aber auch als fortlaufender Strang in einer Ziehanlage aus einer Preform gezogen werden, deren Glasschichten durch z. B. übliche Abscheide-Verfahren hergestellt wurden. Ebenfalls ist ein Kokillenguss der verschiedenen Glasmäntel des Koppelelemen- tes in entsprechenden Formen möglich. Auch das Ineinanderschachteln mehrerer Glasplatten in ein Überfang-Außenrohr mit anschließendem Ziehen ergibt ein solches Koppelelement wählbarer Abmessungen. Die Herstellung der getaperten Form kann ebenso nach gängigen Verfahren erfolgen. Die Umformung eines oder beider Enden in einen rechteckigen oder quadratischen Querschnitt kann z. B. auch nachträglich durch Verpressen einer entsprechenden Form erreicht werden. This coupling element can be produced by various methods. It can be produced as a single component by the glass shells are pushed over each other as prefabricated tubes and the entire component collapses in an oven. But it can also be drawn as a continuous strand in a drawing system from a preform whose glass layers by z. B. customary deposition processes have been prepared. Likewise, chill casting of the various glass shells of the coupling element in corresponding shapes is possible. The nesting of several glass plates in an overlay outer tube with subsequent pulling results in such a coupling element selectable dimensions. The preparation of the tapered shape can also be done by conventional methods. The transformation of one or both ends into a rectangular or square cross-section may, for. B. also be achieved later by pressing a corresponding shape.
Die o.g. Modifikationen haben Auswirkungen auf folgende Übertragungseigenschaften des erfindungsgemäßen Koppelelementes: The o.g. Modifications have effects on the following transmission properties of the coupling element according to the invention:
Auf den resultierenden Raumwinkel auf der Auskoppelseite On the resulting solid angle on the decoupling side
Auf den maximal möglichen Einkoppelwinkel auf der Einkoppelseite - Auf die topologische Einkopplung auf der Einkoppelseite On the maximum possible coupling angle on the coupling side - On the topological coupling on the coupling side
Auf die resultierende Auskoppelenergie auf der Auskoppelseite On the resulting decoupling energy on the decoupling side
Auf die topologische numerische Apertur der Schichten im Koppelelement On the topological numerical aperture of the layers in the coupling element
Im Folgenden werden die Funktion und die besonderen Vorteile des erfindungsgemäßen Koppelelementes anhand von Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. In den Zeichnungen zeigen: In the following, the function and the particular advantages of the coupling element according to the invention will be described with reference to drawings of an embodiment. In the drawings show:
Bild 1 : eine Anordnung eines Faserkegels oder eines Glaskegels zur Kopplung der Figure 1: an arrangement of a fiber cone or a glass cone for coupling the
Lichtstrahlung einer Leistungs-LED an ein Faserbündel ein Auskoppel-Diagramm an einem Glaskegel nach Bild 1 mit einem kleinen Aspektverhältnis ein Auskoppel-Diagramm an einem Glaskegel nach Bild 1 mit einem großen Aspektverhältnis ein Auskoppel-Diagramm an einem Glaskegel nach Bild 1 mit einem üblicherweise genutzten Aspektverhältnis von 0,75 Light radiation of a power LED to a fiber bundle a decoupling diagram on a glass cone according to Figure 1 with a small aspect ratio a decoupling diagram on a glass cone according to Figure 1 with a high aspect ratio a decoupling diagram on a glass cone according to Figure 1 with a commonly used aspect ratio of 0.75
Aufbau eines erfindungsgemäßen zylindrischen Koppelelementes Structure of a cylindrical coupling element according to the invention
Aufbau eines erfindungsgemäßen zylindrischen Koppelelementes in geta- perter Ausführung Structure of a cylindrical coupling element according to the invention in a tattered design
Aufbau eines erfindungsgemäßen Koppelelementes mit einer quadratischen Einkoppelstelle und getaperter Ausführung ein Auskoppel-Diagramm an einem erfindungsgemäßen Koppelelement gemäß Bild 5 mit einer bevorzugten ersten Brechzahlverteilung ein Auskoppel-Diagramm an einem erfindungsgemäßen Koppelelement gemäß Bild 5 mit einer zweiten Brechzahlverteilung ein Auskoppel-Diagramm an einem erfindungsgemäßen Koppelelement gemäß Bild 5 mit einer dritten Brechzahlverteilung ein Auskoppel-Diagramm an einem erfindungsgemäßen Koppelelement gemäß Bild 5 mit einer unterschiedlichen Brechzahlverteilung ein Auskoppel-Diagramm an einem erfindungsgemäßen Koppelelement gemäß Bild 5 mit einer Veränderung der Dicke einer nahe zum äußeren Mantel liegenden Glasschicht Structure of a coupling element according to the invention with a square coupling point and tapered design a decoupling diagram on a coupling element according to the invention with a preferred first refractive index distribution a decoupling diagram on a coupling element according to the invention as shown in Figure 5 with a second refractive index distribution a decoupling diagram on a coupling element according to the invention according to Figure 5 with a third refractive index distribution a decoupling diagram on a coupling element according to the invention according to Figure 5 with a different refractive index distribution a decoupling diagram on a coupling element according to the invention as shown in Figure 5 with a change in the thickness of a lying close to the outer cladding glass layer
Bild 13: ein erfindungsgemäßes Koppelelement in einer Ausführung als rechtwinklig auskoppelndes Kopplungselement oder Strahlenteiler Bild 14: Anwendung des erfindungsgemäßen Koppelelementes für eine Einkopplung von 3 LED auf eine Auskoppelseite Figure 13: a coupling element according to the invention in an embodiment as a coupling element or beam splitter coupling out at right angles Figure 14: Application of the coupling element according to the invention for a coupling of 3 LEDs on a coupling-out side
Bild 15 Eine andere Ausführung für eine Einkopplung von 3 LED auf eine Auskoppelseite mit einem erfindungsgemäßen Koppelelement Bild 16 Anwendung des erfindungsgemäßen Koppelelementes für eine Einkopplung mehrerer SMD-LED auf eine Auskoppelseite Figure 15 Another embodiment for a coupling of 3 LED on a decoupling side with a coupling element according to the invention Figure 16 Application of the coupling element according to the invention for a coupling of several SMD LED on a decoupling side
Für die folgenden Beispiele wird eine gemessene Abstrahlungskeule einer Leistungs-LED als Ausgangsbasis genutzt, die einen Winkelbereich von 40° überstreicht. For the following examples, a measured radiation lobe of a power LED is used as a starting point, which covers an angle range of 40 °.
In Bild 1 ist die Ankopplung eines Faserkegels oder eines Glaskegels an eine handels- übliche Leistungs-LED gezeigt. Die LED soll hierbei ohne aufgesetzte Linse als gefen- sterte LED vorhanden sein, wie es z.B. bei der von der Firma LUMINUS (USA) gelieferten„Phlatlight-LED" der Fall ist. Der Faserkegel (2) oder der Glaskegel (6) sitzt auf Stoß auf dem Fenster der LED (1 ) auf. In der Regel wird als Einkoppelseite (5) die Seite mit dem kleineren Durchmesser verwendet um die Winkelkonversion vom größeren Ab- Strahlwinkel der LED auf einen kleineren Auskoppelwinkel zu konvertieren. Figure 1 shows the coupling of a fiber cone or a glass cone to a commercially available power LED. The LED should in this case be present without an attached lens as an embedded LED, as is shown, for example, in US Pat. in the case of the "Phlatlight-LED" supplied by the company LUMINUS (USA) The fiber cone (2) or the glass cone (6) sits in abutment on the window of the LED (1). 5) uses the smaller diameter side to convert the angle conversion from the larger beam angle of the LED to a smaller coupling angle.
Der handelsübliche Glaskegel (6) besteht hierbei aus einem Glaskem mit einer ersten Brechzahl nk und einem Glasmantel mit einer zweiten Brechzahl nm. Ist nm < nk, dann findet eine bekannte Totalreflexion des Lichtes statt. Die numerische Apertur (NA) des Glaskegels und dessen Aspektverhältnis kann über die Gläser und die Größen der Ein- und Auskoppelstellen (4; 5) ausgewählt werden. The commercial glass cone (6) consists of a glass core with a first refractive index n k and a glass cladding with a second refractive index n m . If n m <n k , then a known total reflection of the light takes place. The numerical aperture (NA) of the glass cone and its aspect ratio can be selected via the glasses and the sizes of the coupling and decoupling points (4, 5).
In Bild 2 ist das Auskoppeldiagramm eines Glaskegels (6) gezeigt, der ein niedriges Aspektverhältnis von 0,4, also einen großen Durchmesserunterschied zwischen der Einkoppelseite (5) und der Auskoppelseite (4) besitzt. Der sich ergebende Raumwinkel ist relativ genau auf die von den Gläsern vorgegebene Apertur (NA) begrenzt. Der Raum- Winkel der LED-Strahlung wird nur zu 40% genutzt. Demzufolge ist die Übertragungseffektivität nicht gut. Figure 2 shows the coupling-out diagram of a glass cone (6), which has a low aspect ratio of 0.4, ie a large difference in diameter between the coupling-in side (5) and the coupling-out side (4). The resulting solid angle is relatively limited to the aperture (NA) given by the glasses. The room angle of the LED radiation is only used to 40%. As a result, the transmission efficiency is not good.
Ein breiter Auskoppelwinkel ist mit einem Glaskegel nur erreichbar, wenn sehr hoch brechende Gläser verwendet werden. Handelsübliche Glaskegel haben eine numerische Apertur von +/-300. Auch die Bilder 3 und 4 zeigen diesen Fakt: Bei einem Glaskegel mit einem hohen Aspektverhältnis wird der Auskoppelwinkel in den Grenzen der von den Gläsern vorgegebenen numerischen Apertur (NA) gehalten, während der mittlere Teil des Raumwinkels abgeflacht wird. Die übertragene Lichtleistung nimmt mit steigendem Aspektverhältnis ab. A wide coupling angle can only be achieved with a glass cone if very high refractive glasses are used. Commercially available glass cones have a numerical aperture of +/- 30 0 . Figures 3 and 4 also show this fact: With a glass cone with a high aspect ratio, the decoupling angle is kept within the limits of the numerical aperture (NA) given by the glasses, while the middle part of the solid angle is flattened. The transmitted light output decreases with increasing aspect ratio.
Es kann gezeigt werden, dass der Glaskegei hier noch nicht einmal mehr als 50% der Gesamtleistung der LED übertragen kann. Der hier verwendete Glaskegel hat eine absorbierende äußere Schicht. Bei einem verspiegelten Glaskegel können die übertragbaren Leistungen höher sein. It can be shown that the Glaskegei can not transmit even more than 50% of the total power of the LED here. The glass cone used here has an absorbent outer layer. For a mirrored glass cone, the transferable performance may be higher.
Bild 5 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen zylindrischen Koppelelementes. Es besitzt einen Glaskern mit einer Brechzahl von nk und konzentrisch um diesen Kern liegende Mantelgläser mit den unterschiedlichen Brechzahlen n3 bis n7. Die Glasschichten haben die Dicken D1 bis D5, die gleich groß oder auch unterschiedlich groß sein können. Das Koppelelement besitzt eine frei wählbare Länge L und hat eine geschliffene, polierte und beschichtete Einkoppelseite (5) mit dem Durchmesser De und eine geschliffene und polierte und beschichtete Auskoppelseite (4) mit dem Durchmesser Da. Figure 5 shows the structure of a cylindrical coupling element according to the invention. It has a glass core with a refractive index of n k and cladding glasses concentrically around this core with the different refractive indices n 3 to n 7 . The glass layers have the thicknesses D1 to D5, which can be the same size or different sizes. The coupling element has a freely selectable length L and has a ground, polished and coated Einkoppelseite (5) with the diameter D e and a ground and polished and coated coupling-out side (4) with the diameter D a .
Im Bild 6 wird ein Taper aus einem erfindungsgemäßen Koppelelement gezeigt. Der Taper mit der wählbaren Länge L ist vom inneren Aufbau identisch dem in Bild 5 gezeigten Koppelelement wobei die Durchmesser der Einkoppelseite (5) und der Auskoppelseite (4) unterschiedlich sind und damit ein Aspektverhältnis festlegen. Figure 6 shows a taper of a coupling element according to the invention. The taper with the selectable length L is identical to the inner structure of the coupling element shown in Figure 5 wherein the diameters of the coupling side (5) and the coupling-out side (4) are different and thus set an aspect ratio.
In Bild 7 wird ein Taper aus einem erfindungsgemäßen Koppelelement gezeigt, welcher an der Einkoppelseite (5) eine andere Flächenform hat, als auf der Auskoppelseite (4). Hier ist die Flächenform der Einkoppelseite rechteckig an einen LED Chip mit den Abmessungen a b angepasst, während die Auskoppelseite rund ist und im Durchmesser z.B. an handelsübliche Faserbündeldurchmesser angepasst sein kann. In Figure 7, a taper of a coupling element according to the invention is shown, which on the coupling side (5) has a different surface shape than on the coupling-out side (4). Here, the surface shape of the coupling-in side is rectangularly adapted to an LED chip having the dimensions a b, while the coupling-out side is round and may be adapted in diameter, for example, to commercially available fiber bundle diameters.
In Bild 8 wird in einem Auskoppeldiagramm gezeigt, wie sich der Auskoppelwinkel eines erfindungsgemäßen getaperten Koppelelementes gemäß Bild 6 verhält, wenn das Aspektverhältnis 0,75 beträgt. Dabei werden in einer Ausführungsform kontinuierlich steigende Brechzahlen vom Mantel zum Kern verwendet, wobei die Brechzahldifferenzen der einzelnen Schichten zueinander eine Größe von 0,1 besitzen. Das bedeutet eine Apertur der einzelnen Schichten zueinander von etwa 0,5 bis 0,6. Die absolute Apertur des gesamten Bauelementes ergibt sich damit zu >0,9. Die Manteldicken sind gleich gehalten. Es ist zu sehen, dass bereits mit einem mehrschichtigen Koppelelement mit gleichen Manteldicken und gleichmäßig sich von Innen nach Außen ändernder Brechzahl der Glasschichten ein Auskoppelwinkel erhalten werden kann, der breiter ist, als beim Glaskegel im Vergleich zu Bild 4. Die gesamte übertragene Lichtleistung ist etwa doppelt so hoch, wie beim einfachen Glaskegel gemäß Bild 4. Figure 8 shows in a decoupling diagram how the decoupling angle of a tapered coupling element according to the invention behaves according to FIG. 6 when the aspect ratio is 0.75. In one embodiment, continuously increasing refractive indices from the cladding to the core are used, the refractive index differences of the individual layers having a size of 0.1 relative to one another. This means an aperture of the individual layers to each other of about 0.5 to 0.6. The absolute aperture of the entire component thus results in> 0.9. The jacket thicknesses are kept the same. It can be seen that even with a multilayer coupling element with the same Mantle thicknesses and uniformly from inside to outside changing refractive index of the glass layers, a coupling angle can be obtained, which is wider than the glass cone compared to Figure 4. The total transmitted light output is about twice as high as the simple glass cone according to Figure 4.
Durch die höhere Apertur zwischen den Schichten wechseln die eingekoppelten Strahlen nicht so oft die einzelnen Schichten. Demzufolge ergibt sich ein größerer Auskoppelwinkel. Due to the higher aperture between the layers, the coupled-in beams do not change the individual layers as often. As a result, a larger coupling-out angle results.
In Bild 9 wird ein Auskoppeldiagramm gezeigt für eine zweite Brechzahlreihenfolge der Einzelbrechzahlen der einzelnen Glasschichten in Richtung vom Kern zum Mantel. Hier werden Gläser eingesetzt, die eine Brechzahldifferenz zueinander von ungefähr 0,02 bis 0,05 aufweisen. Demzufolge wechseln die Strahlen im Koppelelement sehr schnell und sehr oft die Schichten, was zur Folge hat, dass ein schmalerer Auskoppelwinkel und im mittleren Bereich ein etwas breiteres Plateau entsteht. Figure 9 shows a decoupling diagram for a second refractive index order of the single refractive indices of the individual glass layers in the direction from the core to the cladding. Here, glasses are used which have a refractive index difference from each other of about 0.02 to 0.05. As a result, the beams in the coupling element change very rapidly and very often the layers, with the result that a narrower coupling-out angle and in the central region a slightly wider plateau is formed.
In Bild 10 wird ein Auskoppeldiagramm gezeigt für eine dritte Brechzahlreihenfolge, die sich dadurch auszeichnet, dass die Brechzahldifferenzen zwischen den Schichten etwa 0,01 bis 0,03 beträgt. Mit den daraus resultierenden sehr kleinen Aperturen zwischen den Schichten wird ein mittenbetonter kleinerer Auskoppelwinkel und auch nur eine kleinere Leistungsübertragung erreicht. Figure 10 shows a coupling-out diagram for a third refractive index sequence, which is characterized in that the refractive index differences between the layers is about 0.01 to 0.03. With the resulting very small apertures between the layers a center-emphasized smaller Auskoppelwinkel and only a smaller power transmission is achieved.
Wird die Brechzahlreihenfolge gemäß Bild 8 mit den hohen Aperturen zwischen den Schichten unterbrochen, indem eine Schicht eingeführt wird, die eine Brechzahl aufweist, der sich von den umliegenden Schichten stark unterscheidet, denn entsteht ein Auskoppeldiagramm gemäß Bild 11 mit einem sehr breiten Auskoppelwinkel. Im Bild liegt diese Schicht in der Nähe der äußeren Mäntel. Durch Verlagerung dieser niedrigbrechenden Schicht lassen sich unterschiedliche Auskoppelprofile des auszukoppelnden Raumwinkels erzielen. If the refractive index sequence according to FIG. 8 is interrupted with the high apertures between the layers by introducing a layer which has a refractive index which differs greatly from the surrounding layers, then a coupling-out diagram according to FIG. 11 with a very broad coupling-out angle results. In the picture, this layer lies near the outer coats. By shifting this low-refractive layer, different decoupling profiles of the spatial angle to be decoupled can be achieved.
Wird eine der Mantelschichten in ihrer Dicke verändert, z. B. verbreitert, wie es z. B. Bild 12 zeigt, so können damit ebenfalls Verbreiterungen des Auskoppelwinkels erzeugt werden. If one of the cladding layers is changed in thickness, z. B. widened as z. As shown in Figure 12, it can also be used to create widening of the decoupling angle.
Die Verfügbarkeit von Gläsern mit entsprechenden Parametern lässt ein breites Spektrum der Manipulation des erfindungsgemäßen Koppelelementes zu. Es ist zu sehen, dass in dem erfindungsgemäßen Koppelelement die eingekoppelten Strahlen vollständiger und besser auf die Auskoppelseite konvertiert werden können, als es bei einem Glaskegel oder auch bei einem Faserkegel möglich ist. Dazu kommt, dass die übertragbaren Lichtleistungen höher sind. Mit der Wahl der Schichtdicken, der Brechzahlen und des Aspektverhältnisses ist man in der Lage, für eine Vielzahl von Koppelaufgaben sehr schnell ein effektives und billiges Koppelelement zu entwickeln und herzustellen. The availability of glasses with appropriate parameters allows a wide range of manipulation of the coupling element according to the invention. It can be seen that in the coupling element according to the invention, the coupled-in beams can be more completely and better converted to the coupling-out side than is possible with a glass cone or even with a fiber cone. In addition, the transmittable light output is higher. With the choice of the layer thicknesses, the refractive indices and the aspect ratio, one is able to develop and produce an effective and inexpensive coupling element very quickly for a large number of coupling tasks.
Die Einkoppelfläche und die Auskoppelfläche dieses erfindungsgemäßen Koppelelementes sind geschliffen und poliert und können mit einer reflexmindernden Beschichtung oder einer wellenlängenselektiven Beschichtung versehen werden. The coupling surface and the decoupling surface of this coupling element according to the invention are ground and polished and can be provided with a reflection-reducing coating or a wavelength-selective coating.
Ein besonders ausgeführtes Koppelelement entsteht, wenn das gesamte Bauelement in einem rechteckigen Querschnitt gehalten wird. Wie Bild 13 zeigt, kann z. B. die Auskoppelseite in einem Winkel angeschliffen werden. Diese Seite kann mit einer Spiegelschicht versehen werden, was zu einer Auskopplung des Lichtes rechtwinklig zur Einkoppelseite führt. Da die Strahlführung durch die Spiegelschicht etwa senkrecht zu den einzelnen Mantelgläsern erfolgt, werden nicht alle Strahlen in die Glasschichten abgelenkt, sondern verlassen das Koppelelement auf der angeschliffenen Mantelseite. Bei einer Beschichtung der winklig geschliffenen Auskoppelseite mit einer Teilerschicht mit wählbarem Teilerverhältnis kann eine Auskopplung in zwei verschiedene Richtungen erfolgen. Wird die Teilerschicht als wellenlängenselektive Schicht ausgeführt, können mit dem erfindungsgemäßen Koppelelement auch Lichtmischelemente aufgebaut werden. A specially designed coupling element is formed when the entire component is held in a rectangular cross-section. As Figure 13 shows, z. B. the Auskoppelseite be sanded at an angle. This side can be provided with a mirror layer, which leads to a decoupling of the light at right angles to the coupling side. Since the beam guidance through the mirror layer is approximately perpendicular to the individual cladding glasses, not all rays are deflected into the glass layers, but leave the coupling element on the ground shell side. In the case of a coating of the angularly ground outcoupling side with a divider layer with a selectable divider ratio, a decoupling can take place in two different directions. If the splitter layer is designed as a wavelength-selective layer, light mixing elements can also be constructed with the coupling element according to the invention.
In Bild 14 ist ein Aufbau aus 3 LED gezeigt, welche unterschiedlich spektral emittieren. Es wird zunächst das Licht der LED1 in die plane Einkoppelfläche des oberen ersten Koppelelementes (G1) eingekoppelt. Die um 45° abgeschrägte Auskoppelfläche des oberen ersten Koppelelementes (G1) ist mit einer long pass Schicht beschichtet, die das grüne Licht der LED1 durch lässt und blaues Licht reflektiert. An diese angeschrägte Fläche des ersten Koppelelementes (G1 ) ist die unter 45° abgewinkelte und unbeschichtete Fläche des zweiten Koppelelementes (G2) angekittet. Das zweite Koppelelement (G2) leitet das Licht der blauen LED2 über die wellenlängenselektive Beschichtung am ersten Koppelelement (G1) und die Auskoppelstelle am zweiten Koppelelement (G2) in das dritte Koppeleiement (G3). Dieses dritte Koppelelement (G3) besitzt ein wellenlängenselektives long pass Filter, welches blau und grün durchlässt, aber rot reflektiert. An diesem dritten Koppelelement (G3) ist das un beschichtete vierte Koppelelement (G4) angekittet, welches das Licht einer rot emittierenden LED leitet, welches an der Spiegelschicht des dritten Koppelelementes (G3) reflektiert wird. Figure 14 shows a structure of 3 LED, which emit different spectral. First, the light of the LED1 is coupled into the planar coupling surface of the upper first coupling element (G1). The decoupled by 45 ° decoupling surface of the upper first coupling element (G1) is coated with a long-pass layer, which leaves the green light of the LED1 through and blue light reflected. At this tapered surface of the first coupling element (G1), the angled at 45 ° and uncoated surface of the second coupling element (G2) is cemented. The second coupling element (G2) conducts the light of the blue LED2 via the wavelength-selective coating on the first coupling element (G1) and the coupling-out point on the second coupling element (G2) into the third coupling element (G3). This third coupling element (G3) has a wavelength-selective long-pass filter, which transmits blue and green but reflects red. At this third coupling element (G3) is the un coated fourth coupling element (G4) cemented, which conducts the light of a red emitting LED, which is reflected at the mirror layer of the third coupling element (G3).
An der rechtwinklig zur Einkoppelseite (5) liegenden Auskoppelseite (4) des vierten Koppelelementes (G4) kann nunmehr ein Auskoppel-Faserbündel angekoppelt werden, in welches eine Mischung aus roten, blauen und grünen Lichtanteilen mit hoher Effektivität gemischt eingekoppelt wird. At the right angle to the coupling side (5) lying outcoupling side (4) of the fourth coupling element (G4) can now be coupled a decoupling fiber bundle, in which a mixture of red, blue and green light components mixed with high efficiency is coupled.
Da die für den Aufbau gemäß Bild 14 verwendeten erfindungsgemäßen Koppelelemente alle gleich ausgeführt sind und nur mit entsprechenden wellenlängenselektiven Beschich- tungen versehen sind, können beliebige Kombinationen zu einem Lichtmischelement zusammengebaut werden. Since the coupling elements according to the invention used for the structure according to Figure 14 are all made the same and are provided only with corresponding wavelength-selective coatings, any combinations can be assembled into a light mixing element.
In Bild 15 ist ein ähnlicher Aufbau gezeigt, der es gestattet, auf einfachere Weise die Strahlen dreier LED, die spektral unterschiedlich emittieren, auf eine Auskoppeistelie zu führen. Dazu wird im mittleren Bereich des Aufbaues ein Koppelelement mit 2 winkligen Anschliffen im Winkel von 45° verwendet (G2). Die beiden anderen Koppelelemente sind mit einer planen Fläche (Einkoppelfläche (5) bzw. Auskoppelfläche (4)) und mit jeweils einer unter 45° abgeschrägten Fläche versehen. Die winkligen Flächen sind mit einer wellenselektiven Beschichtung versehen. Die Teilerspiegelbeschichtung (14) an der LED 2 (13) besteht aus einer blau reflektierenden Schicht, die andere Wellenlängen (hier insbesondere die von der LED1 emittierte Wellenlänge (grün)) hindurch lässt. Die Tei- lerspiegelbeschichtung (14) an der LED3 (12) besteht aus einer rot reflektierenden Schicht, die alle anderen Wellenlängen (hier insbesondere die von den LED1 und LED3 emittierten Wellenlängen (grün und blau)) hindurch lässt. Die eingesetzten Koppelelement-Teilstücke sind hier von gleichem quadratischen Querschnitt, der in der Größe so bemessen ist, dass sowohl auf der Einkoppelstelle (5) und in die entsprechenden planen Mantelbereiche (16) die Hochleistungs-LED direkt eingekoppelt werden können. An der Auskoppelstelle (4) des gesamten optischen Bauteiles kann z.B. ein Faseroptikbündel (3) angekoppelt werden. Es ist auch möglich, folgend auf die Auskoppelstelle (4) ein beliebig aufgebautes Optiksystem aus mehreren Linsen oder Linsengruppen anzuordnen, welches eine zusätzliche Strahlformung der ausgekoppelten Strahlen übernimmt. Eine solche Optik wird z.B. zur Fokussierung auf ein mikromechanische Kippspiegelelement (MEMS) für Video-Beamer benötigt. In Fig. 15, a similar construction is shown, which makes it possible to more easily guide the beams of three LEDs, which emit spectrally different colors, to an output path. For this purpose, a coupling element with two angular bevels at an angle of 45 ° is used in the central area of the structure (G2). The other two coupling elements are provided with a flat surface (coupling surface (5) and decoupling surface (4)) and each with a beveled surface at 45 °. The angled surfaces are provided with a wave-selective coating. The splitter mirror coating (14) on the LED 2 (13) consists of a blue-reflecting layer which allows other wavelengths (here in particular the wavelength (green) emitted by the LED1) to pass through. The partial mirror coating (14) on the LED3 (12) consists of a red-reflecting layer that allows all other wavelengths (in particular the wavelengths emitted by the LED1 and LED3 (green and blue)) to pass through. The coupling element sections used here are of the same square cross-section, which is sized in size so that both the coupling point (5) and in the corresponding planar cladding regions (16), the high-power LED can be coupled directly. At the decoupling point (4) of the entire optical component, e.g. a fiber optic bundle (3) are coupled. It is also possible, following the decoupling point (4) to arrange an arbitrarily constructed optical system of a plurality of lenses or lens groups, which assumes an additional beam shaping of the decoupled beams. Such optics are e.g. needed to focus on a micromechanical tilting mirror element (MEMS) for video beamer.
Werden bei diesem beschriebenen Aufbau gemäß Bild 15 anstatt der Hochleistungs-LED z.B. Kleinleistungs-LED verwendet, so kann zusammen mit einer folgenden fokussieren- den Optik ein komplettes Optiksystem für kleine und leichte Video-Beamer aufgebaut werden. Aufgrund der besonderen Lichtleitung des erfindungsgemäßen Koppelelementes ist zu erwarten, dass derart aufgebaute Video-Beamer eine sehr hohe Bildhelligkeit aufweisen. Zur Fluoreszenzbildgebung in der Endoskopie kann dieses Koppelelement in einem Aufbau, wie im Bild 15 verwendet werden, um z.B. die Strahlung einer Weißlicht-LED und einer Ultraviolett-LED oder auch einer zusätzlichen Infrarot-LED auf eine gemeinsame Auskoppelstelle zu koppeln. Die Ausführung gemäß Bild 15 ist in ihrem Aufbau nicht auf den Einsatz von 3 LED beschränkt. In Anwendung der in den Bildern 14 und 15 darges- teilten Zusammenbauprinzipien können entweder nur 2 LED oder 4 oder mehr LED zusammengekoppelt werden. If, for example, low-power LEDs are used in place of the high-performance LED in this described structure as shown in Figure 15, then together with a following focusing the optics a complete optics system for small and light video projectors are built up. Due to the particular light pipe of the coupling element according to the invention, it can be expected that video beamer constructed in this way have a very high image brightness. For fluorescence imaging in endoscopy, this coupling element can be used in a structure such as in Figure 15, for example, to couple the radiation of a white light LED and an ultraviolet LED or even an additional infrared LED to a common decoupling point. The design according to Figure 15 is not limited in its construction to the use of 3 LEDs. Using the assembly principles outlined in Figures 14 and 15, either only 2 LEDs or 4 or more LEDs can be coupled together.
In Bild 16 ist gezeigt, dass mit dem erfindungsgemäßen Koppelelement eine Mischung der Emission mehrerer kleiner LED, z.B. SMD-LED vorgenommen werden kann, im Biid ist ein quadratisches Koppelelement (G5) mit plan geschliffenen Einkoppel- und Auskop- pelseiten gezeigt. An der Einkoppelseite (5) sind insgesamt 6 Stück SMD-LED (1 ) aufgekittet. An die Auskoppelseite (4) kann nun wiederum z.B. ein Lichtleitkabel oder ein folgendes optisches System angekoppelt werden. Bei Verwendung von LED mit gleicher Wellenlänge (z.B. Weißlicht-LED) kann gezeigt werden, dass je nach Auslegung des Koppelelementes in einer der in der Beschreibung erwähnten Verfahren an der Auskop- pelstelle etwa 50% bis 80% der Lichtleistung der Summe aller einkoppelnden LED- Lichtleistungen verfügbar ist. Mit solchen Aufbauten sind Leuchten für die verschiedensten Aufgaben mit SMD-LED aufbaubar, die eine hohe Lichtleistung bei kleiner elektrischer Leistung ermöglichen. Figure 16 shows that with the coupling element according to the invention a mixture of the emission of several small LEDs, e.g. SMD LED can be made, in the Biid a square coupling element (G5) with plan ground Einkoppel- and Auskopel- pelseiten shown. On the coupling side (5) a total of 6 pieces SMD LED (1) are cemented. To the decoupling side (4) can now turn again, e.g. a fiber optic cable or a subsequent optical system are coupled. When using LEDs with the same wavelength (eg white light LED), it can be shown that, depending on the design of the coupling element in one of the methods mentioned in the description, about 50% to 80% of the light output is the sum of all the coupling-in LEDs at the output point. Light output is available. With such structures, luminaires for various tasks can be assembled with SMD LEDs, which enable a high light output with low electrical power.
Viele andere Kombinationen mehrerer Koppelelemente in verschiedenen Ausführungs- formen sind ingenieurtechnisch einfach zu ableitbar. Many other combinations of multiple coupling elements in various embodiments are easy to derive from an engineering point of view.
Dieses erfindungsgemäße Koppelelement ist ebenso vorteilhaft in Lichtleiterstutzen von Endoskopen integrierbar. Da in den Endoskopen in der Regel Weitwinkel-Lichtleitfasern verwendet werden können, besteht hier die Möglichkeit, einen Raumwinkel von etwa 120° einzukoppeln. Dies ist mit den üblicherweise verwendeten Faserkegeln bisher nicht möglich. Mit dem erfindungsgemäßen Koppelelement können an dieser Stelle erstmals höhere Lichtleistungen mit höheren Raumwinkeln in Endoskope eingekoppelt werden. Bezuqszeichenliste This coupling element according to the invention can also be advantageously integrated into light guide neck of endoscopes. Since in the endoscopes usually wide-angle optical fibers can be used, here is the possibility to couple a solid angle of about 120 °. This is not possible with the commonly used fiber cones. With the coupling element according to the invention higher light powers with higher solid angles can be coupled into endoscopes for the first time at this point. LIST OF REFERENCES
In den Zeichnungen werden folgende Bezeichnungen verwendet: The following designations are used in the drawings:
(1 ) Eine LED (1) An LED
(2) Ein Faserkegel  (2) A fiber cone
(3) Ein Lichtleitkabel (3) A light guide cable
(4) Die Auskoppelseite  (4) The decoupling side
(5) Die Einkoppelseite  (5) The coupling side
(6) Ein Glaskegel  (6) A glass cone
(7) Ein Kernglas  (7) A core glass
(8) Ein Mantelglas (8) A jacket glass
0) Mantel-Glasschichten  0) cladding glass layers
(10) Ein Teiler-Koppelelement  (10) A divider coupling element
(11 ) Eine Grün-LED  (11) A green LED
(12) Eine Rot-LED  (12) A red LED
(13) Eine Blau-LED (13) A blue LED
(14) Teilerspiegel-Beschichtung  (14) Splitter mirror coating
(15) Auskoppelstelle für Teilstrahlen  (15) decoupling point for partial beams
(16) Einkoppelstelle auf einer Mantelfläche  (16) coupling point on a lateral surface
D1....D5 = Dicken der Glasschichten D1 .... D5 = thicknesses of the glass layers
De = Durchmesser der Einkoppelseite De = diameter of the coupling side
Da = Durchmesser der Auskoppelseite  Da = diameter of the decoupling side
(G1 ) = Koppelelement 1  (G1) = coupling element 1
(G2) = Koppelelement 2 (G2) = coupling element 2
(G3) = Koppelelement 3  (G3) = coupling element 3
(G4) = Koppelelement 4 (G5) = Koppelelement 5 (G4) = coupling element 4 (G5) = coupling element 5
η-ι ....n7 = Brechzahlen der Mantel-Glasschichten η-ι .... n 7 = refractive indices of the cladding glass layers
nk = Brechzahl des Kemglases n k = refractive index of the core glass
nm = Brechzahl des Mantels n m = refractive index of the cladding
a = Seitenmaß 1 einer rechteckigen Einkoppelseite a = lateral dimension 1 of a rectangular coupling-in side
b = Seitenmaß 2 einer rechteckigen Einkoppelseite b = lateral dimension 2 of a rectangular coupling-in side
+NA / -NA = Durch die numerische Apertur vorgegebener Grenzwinkel  + NA / -NA = Predefined limit angle given by the numerical aperture
+a l -a = Durch die Einkopplung in das Lichtleitkabel (3) vorgegebener maximaler  + a l -a = By the coupling into the light guide cable (3) predetermined maximum
Einkoppelwinkel  coupling angle
NL = Numerische Apertur des Lichtleitkabels NL = numerical aperture of the fiber optic cable

Claims

Patentansprüche claims
1. Koppelelement für die Kopplung von LED an Faserbündel oder andere optische Elemente, insbesondere für die Endoskopie, wobei eine Längsrichtung des Koppelelementes von einer Einkoppelfläche des Koppelelementes zu einer Auskoppelfläche des Koppelelementes verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement aus einem, sich in Längsrichtung erstreckenden, lichtleitenden Kern und mehreren, in radialer Richtung quer zur Längsrichtung aufeinanderfolgenden lichtleitenden, den Kern umschließenden Mantelschichten mit voneinander abweichenden Brechzahlen aufgebaut ist, wobei Brechzahlen und Schichtdicken der Mantelschichten so aufeinander abgestimmt sind, dass die bei einem durch die numerische Apertur (Θ =arctan nm/NA) vorgegebenen Einkoppelwinkel aus einer Mantelschicht herausfallenden Strahlen durch Mehrfachreflexion in wenigstens einer anderen Mantelschicht einen entsprechenden Winkel erhalten, der dazu führt, dass diese in einer anderen Schicht wieder durch Totalreflexion weiter geleitet werden. 1. Coupling element for the coupling of LED to fiber bundles or other optical elements, in particular for endoscopy, wherein a longitudinal direction of the coupling element extends from a coupling surface of the coupling element to a coupling-out surface of the coupling element, characterized in that the coupling element of a, extending in the longitudinal direction , light-conducting core and a plurality of, in the radial direction transverse to the longitudinal direction successive light-conducting, the core enclosing cladding layers is constructed with divergent refractive indices, wherein refractive indices and layer thicknesses of the cladding layers are coordinated so that at one by the numerical aperture (Θ = arctan n m / NA) given coupling angle of rays falling out of a cladding layer by multiple reflection in at least one other cladding layer obtained a corresponding angle, which causes them in another layer again by total reflection be forwarded on.
2. Koppelelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement eine numerische Apertur größer 0,8 besitzt und zur Kopplung an Faserbündel oder andere optische Elemente mit einem Durchmesser größer 4 mm ausgebildet ist. 2. Coupling element according to claim 1, characterized in that the coupling element has a numerical aperture greater than 0.8 and is designed for coupling to fiber bundles or other optical elements with a diameter greater than 4 mm.
3. Koppelelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern und die Mantelschichten aus Glas bestehen. 3. Coupling element according to claim 1 or 2, characterized in that the core and the cladding layers consist of glass.
4. Koppelelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelschichten jeweils aus homogenem Glas mit einer jeweils definierten Brechzahl bestehen, wobei die Gläser der Mantelschichten aus handelsüblichen Gläsern mit entsprechendem Brechungsindex hergestellt sind. 4. Coupling element according to claim 3, characterized in that the cladding layers each consist of homogeneous glass with a respectively defined refractive index, wherein the glasses of the cladding layers are made of commercially available glasses with a corresponding refractive index.
5. Koppelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement mindestens 3, bevorzugt 5 bis 10 aufeinanderfolgende Mantelschichten besitzt 5. Coupling element according to one of claims 1 to 4, characterized in that the coupling element has at least 3, preferably 5 to 10 consecutive sheath layers
6. Koppelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinanderfolgenden Glasmäntel jeweils Brechzahlen besitzen, die vom Kern zum äußeren Mantel in ihrem Wert abnehmend sind. 6. Coupling element according to one of claims 1 to 5, characterized in that the successive glass shells each have refractive indices, which are decreasing in value from the core to the outer sheath.
7. Koppelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aufeinanderfolgenden Glasmäntel jeweils Brechzahlen besitzen, die vom Kern zum äußeren Mantel in ihrem Wert untereinander nach einer berechneten Strahlführung ausgeführt sind. 7. Coupling element according to one of claims 1 to 6, characterized in that the successive glass shells each have refractive indices, which are executed by the core to the outer sheath in their value with each other according to a calculated beam guidance.
8. Koppelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicken der Mantelschichten größer sind als 0,1 mm und vorzugsweise zwischen 0,5 mm und 1 mm betragen. 8. Coupling element according to one of claims 1 to 7, characterized in that the layer thicknesses of the cladding layers are greater than 0.1 mm and preferably between 0.5 mm and 1 mm.
9. Koppelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement als sich in Längsrichtung verjüngender Taper mit voneinander abweichenden Einkoppel- und Auskoppelflächengrößen ausgeführt ist. 9. Coupling element according to one of claims 1 to 8, characterized in that the coupling element is designed as tapered in the longitudinal direction taper with divergent input and Auskoppelflächengrößen.
10. Koppelelement nach einem der Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppeielement an der Auskoppeifiäche und/oder der Einkoppelfläche einen winkligen Anschliff, bevorzugt 45°, aufweist. 10. Coupling element according to one of claims 1 to 9, characterized in that the Koppeielement on the Auskoppeifiäche and / or the coupling surface angled bevel, preferably 45 °.
Koppelelement nach einem der Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelelement an der Einkoppelfläche und/oder der Auskoppelfläche einen sphärischen, asphärischen oder freigeformten, konvexen oder konkaven Anschliff gemäß einer berechneten Strahlführung aufweist. Coupling element according to one of claims 1 to 10, characterized in that the coupling element on the coupling surface and / or the decoupling surface has a spherical, aspheric or free-form, convex or concave bevel according to a calculated beam guidance.
Baueinheit mit einem Koppelelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit mehrere Koppelelemente mit mehreren LED unterschiedlicher spektraler Emission enthält, deren Strahienanteile unter Verwendung wellenlängenselektiver Filterbeschichtungen der Flächen zu einer gemeinsamen Auskoppelstelle zusammengeführt sind. Assembly with a coupling element according to claim 10, characterized in that the assembly contains a plurality of coupling elements with a plurality of LEDs of different spectral emission whose beam portions are combined using wavelength-selective filter coatings of the surfaces to a common decoupling point.
13. Baueinheit mit einem Koppelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit ein Koppelelement mit mehreren LED glei- eher oder unterschiedlicher spektraler Emission an der Einkoppelstelle enthält, deren einzelne Strahlenanteile optisch gemischt der Auskoppelstelle zugeführt sind. 13. Assembly with a coupling element according to one of claims 1 to 1 1, characterized in that the assembly includes a coupling element with multiple LED rather or different spectral emission at the coupling point whose individual beam components are optically mixed fed to the coupling-out.
14. Lichtleit-Anschlussstutzen für ein Endoskop, dadurch gekennzeichnet, dass in den Lichtleit-Anschlussstutzen ein oder mehrere Koppelelemente nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 integriert sind. 14 light guide connecting piece for an endoscope, characterized in that one or more coupling elements according to one of claims 1 to 1 1 are integrated in the light guide connecting piece.
15. Einsatz zur Lichtmischung in einem Video- oder anderem Farbmisch-Projektor in Zusammenwirken mit einem MEMS-Bauelement und/oder einer Projektionsoptik, gekennzeichnet durch ein Koppelelement gemäß Ansprüchen 10 und 11 oder eine Baueinheit gemäß Anspruch 12. 15. Use for light mixing in a video or other color mixing projector in cooperation with a MEMS component and / or a projection optics, characterized by a coupling element according to claims 10 and 11 or a structural unit according to claim 12.
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