用于输入耦合由LED发射的辐射的方法和装置.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102947739 A(43)申请公布日 2013.02.27CN102947739A*CN102947739A*(21)申请号 201180020508.2(22)申请日 2011.04.20102010016622.7 2010.04.23 DE102010036496.7 2010.07.19 DEG02B 6/35(2006.01)G02B 6/42(2006.01)(71)申请人德固萨有限责任公司地址德国哈瑙(72)发明人 T.埃特尔 J.赫齐希(74)专利代理机构中国专利代理(香港)有限公司 72001代理人杜荔南 卢江(54) 发明名称用于输入耦合由LE

2、D发射的辐射的方法和装置(57) 摘要本发明涉及用于通过至少一个光导体传输由以脉冲运行方式运行的LED发射的辐射的方法和装置，其中为每个LED（12，14）分配具有第一和第二耦合面（20，22，24，26）的第一光导体（16，18），第一光导体分别以其第一耦合面对准所分配的静态LED，第二耦合面布置在闭合的轨道上并且为第二耦合面分配第二光导体（42）的耦合面（44）。为了能够借助于LED将高的光功率输入耦合到第二光导体中，规定了，第二光导体（42）能相应于所接通LED（12，14）的时钟对准至少一个所接通LED的第一光导体（16，18）的第二耦合面（24，26）。(30)优先权数据(85)PC

3、T申请进入国家阶段日2012.10.23(86)PCT申请的申请数据PCT/EP2011/056306 2011.04.20(87)PCT申请的公布数据WO2011/131710 DE 2011.10.27(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书5页 附图6页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 6 页1/2页21.用于将由多个LED发射的辐射输入耦合到光导体中的方法，其中每个LED（12，14）静态地布置，为每个LED分配具有第一和第二偶合面（20，22，24，26）的第一光导体（16，18），分别通过第一光导体之一的第一偶合面

4、输入耦合LED之一的光，并且分别接通的LED的从第二偶合面出射的辐射被传输到第二光导体（42）的偶合面（44）上，其特征在于，以脉冲运行方式并且相继地运行LED（12，14），并且第二偶合面（24，26）布置在闭合的轨道上，第二光导体（42）以其耦合面（44）沿着该轨道运动或者对准静态布置的第二光导体的偶合面的光学器件（56）沿着该轨道运动。2.根据权利要求1的方法，其特征在于，第一光导体（16，18）的第二偶合面（24，26）平行于第二光导体（42）的偶合面（44）地对准。3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，第二光导体（42）的运动与能量源的时钟同步，通过该时钟LED（12，14）被顺

5、序地接通。4.根据前述权利要求至少之一的方法，其特征在于，第二光导体（42）的偶合面（44）对准两个同时接通的LED的第一光导体（16，18）的第二偶合面（24，26）。5.根据前述权利要求至少之一的方法，其特征在于，第二偶合面（24，26）网格状布置并且通过第一光导体（16，18）引导的辐射通过至少一个光学偏转元件（56）传输到第二光导体（42）上。6.根据前述权利要求至少之一的方法，其特征在于，使至少一个光学偏转元件（56）运动以用于传输辐射。7.根据前述权利要求至少之一的方法，其特征在于，通过第二光导体（42）引导的光施加给对象，其中由该对象反射的辐射用光学传感器测量并且所接通LED的时

6、间序列与如CCD摄影机的光学传感器的图像重复率同步。8.用于通过至少一个光导体传输由以脉冲运行方式运行的LED发射的辐射的装置，其中为每个LED（12，14）分配具有第一和第二偶合面（20，22，24，26）的第一光导体（16，18），第一光导体分别用其第一偶合面对准到所分配的静态LED，第二偶合面布置在闭合的轨道上或相应地布置在网格上，并且为第二偶合面分配第二光导体（42）的偶合面（44），权 利 要 求 书CN 102947739 A2/2页3其特征在于，第二光导体（42）能相应于所接通LED（12，14）的时钟对准至少一个所接通LED的第一光导体（16，18）的第二偶合面（24，26），

7、或者光学偏转元件（56）能对准所分配的所接通LED的第一光导体的第二偶合面，其中所述光学偏转元件将辐射转向到静态布置的第二光导体（42）的偶合面（44）上。9.根据权利要求8的装置，其特征在于，LED（12，14）布置在支架（10）上，尤其是布置在必要时具有珀尔贴元件的冷却体上，优选布置在圆形轨道上。10.根据权利要求8或9的装置，其特征在于，第一光导体（16，18）以其第二耦合面（24，26）布置在圆形轨道上，第二光导体（42）的耦合面（44）能沿着该圆形轨道运动，其中第一光导体的第二耦合面平行于第二光导体的耦合面地对准。11.根据权利要求8至10至少之一的装置，其特征在于，第一光导体（16

8、，18）的覆层至少在第二耦合面（24，26）的区域中被除去。12.根据权利要求8至11至少之一的装置，其特征在于，第二光导体（44）由保持元件（40）容纳，该保持元件能围绕轴旋转，该轴穿过如环形盘的支架（10），其中优选第二耦合面（24，26）倾斜于轴地延伸。13.根据权利要求8至12至少之一的装置，其特征在于，光学偏转元件是偏转棱镜（56），辐射能通过该偏转棱镜传输到静态布置的第二光导体（42）上。14.根据权利要求8至13至少之一的装置，其特征在于，光学偏转元件（56）从转盘（54）出发，该转盘能围绕穿过LED（12，14）的支架（10）的轴旋转，沿着该轴第二光导体（42）至少在光学偏转元

9、件的区域中延伸。15.根据权利要求8至14至少之一的装置，其特征在于，至少一个为所接通的LED（14）分配的第一光导体（18）的第二耦合面（26）和第二光导体（42）的耦合面（44）对准偏转棱镜（56）的基面，其中优选在所述基面上布置聚焦辐射的透镜（60，62）。权 利 要 求 书CN 102947739 A1/5页4用于输入耦合由 LED 发射的辐射的方法和装置技术领域0001 本发明涉及用于将由多个LED发射的辐射输入耦合到光导体中的方法，其中每个LED被静态地布置，为每个LED分配具有第一和第二耦合面的第一光导体，分别经由第一光导体之一的第一耦合面输入耦合LED之一的光并且分别接通的LE

10、D的从第二耦合面出射的辐射被传输到第二光导体的耦合面上。本发明还涉及一种用于经由至少一个光导体传输由以脉冲运行方式运行的LED发射的辐射的装置，其中为每个LED分配具有第一和第二耦合面的光导体，第一光导体分别以其第一耦合面对准所分配的静态LED，第二耦合面布置在闭合的轨道上或相应地布置在网格上并且为第二耦合面分配第二光导体的耦合面。背景技术0002 用于输入耦合到纤维束或光导纤维中的光源目前要么使用卤素灯要么使用Xe灯。这两者的共同点是低效率以及相应地高电流消耗。0003 白光LED尽管有时是相当有效率的，但是可实现的能量密度总是仍明显小于例如Xe灯的能量密度。这一方面由于发光面的相对大的空间

11、伸展，另一方面由于增大了到纤维或纤维束中的有效输入耦合的大的辐射角。尽管可以将光导纤维带到非常靠近LED的芯片或者采用成像的光学器件，但是功率密度常常不足。0004 用于改善输入耦合效率的椎体（Taper）具有进一步提高孔径角的缺点，并且分色光束组合器所具有的缺点是其只有在对选择性的波长范围进行组合时才可采用。0005 这导致，不能用LED来解决具有应被输入耦合到光导纤维中的高的光功率的要求。0006 US-A-2008/0310181涉及一种高亮度的照明系统，该照明系统可在内窥镜摄影机中使用。该装置包括蓝色、绿色和红色发光二极管组，这些发光二极管的光经由光导纤维被传输到传输束上并且经由混合器

12、被传输到光纤束2上，以便于是可以将该光用于内窥镜摄影机。0007 US-A-5,109,447的主题是一种宽带信号光源。为此设置波导耦合器，该波导耦合器将经由多个分配给LED的光导体传输的信号输送给第二光导体，该第二光导体具有宽带输出端。0008 在根据US-A-2005/0046807的照明装置中，由布置在圆上的LED将光传输到对准LED的第二光导体上。0009 DE-U-20 2008 006 191涉及一种将发光二极管采用于强功率曝光目的的装置。在此使用多个发光二极管，其中为每个LED分配光导体的第一耦合面。光导体的第二耦合面于是类似于电缆地组合在光导体单元中，以便构成光发射区域。发明内

13、容0010 本发明所基于的任务是，扩展开头所述类型的方法和装置，使得借助于LED可以将高的光功率输入耦合到光导体中。在此，构造成本应当是低的并且同时提供实现所期望说 明 书CN 102947739 A2/5页5的波纹度的功率输出的可能性。本发明的任务还有，使死区时间最小化和简化到LED的电流输送。0011 根据本发明基本上通过如下方式来解决该任务，即LED以脉冲运行的方式并且相继地运行并且第二耦合面被布置在闭合轨道上，第二光导体以其耦合面沿着该轨道运动或者对准静态布置的第二光导体的耦合面的光学器件沿着该轨道运动。0012 根据本发明，使LED、尤其是白光LED的特性适于与CW运行中的最大电流相

14、比可以以脉冲运行方式运行所述LED直至所述最大电流的50倍或更多。因此可以在具有高脉冲功率的相应占空比时在保持平均功率的情况下在相应的短脉冲时运行如白光LED的LED。0013 为了避免不需要的死区时间并且尤其是绕开用于LED的电流输送的滑环，根据本发明静态地布置LED。于是为分配给LED的第一光导体分配第二光导体，该第二光导体要么是静态的要么能以其耦合面与第一光导体的第二耦合面对准，使得以所期望的程度和相应于所接通LED的时钟序列进行到光导体必要时LED的两个相邻的光导体的对准，所述LED由电流流过并且因此发射光。0014 换句话说，使用期望数量的LED，这些LED的光在时间上相继地耦合到如

15、光导纤维或纤维束的第一光导体中，使得功率可以提高直至50倍或更多。0015 尽管还存在将LED布置在转轮上并且恰好在一个LED的时刻产生光脉冲的可能性，但是在该时刻该LED位于静态布置的光导体对面。但是由此可能形成不需要的死区时间。另一缺点是用于LED的电流输送的所需的滑环。0016 基于根据本发明的教导，死区时间被最小化，滑环被避免，并且可选地在所定义的时间框架中产生尽可能均匀的功率说明或有针对性地产生脉冲。由此还得出将时间框架与如CCD摄影机的记录单元的图像重复率（帧率）同步的可能性。0017 相应于根据本发明的教导，第一光导体被布置为使得分别将第一光导体（如一短段光导纤维）耦合到LED上

16、。这可以通过直接安置得靠近LED的芯片面来进行。于是存在将第一光导体圆形地尽可能紧密地布置的可能性，其中光导体的覆层可以至少在第二耦合面的区域中被除去，以便降低死区时间。为相应的第一光导体（如光导纤维）于是分配第二光导体，以便转发各个光导体的脉冲式的辐射。在此可以将高功率密度的光例如用于施加给要测量的对象，如要测量的牙齿或下颚区域。0018 光导体的长度应被选择为使得基本上避免弯曲半径。0019 存在沿着第一光导体的第二耦合面引导第二光导体的可能性，其中进行与顺序地接通的LED的同步。因此例如第二光导体可以以其耦合面沿着圆形轨道运动，其中所接通LED的第一光导体的第二耦合面在接通时刻在中心与第

17、二光导体的耦合面相对。0020 替代于运动的第二光导体，还可以将该第二光导体静态布置，其中为了输入耦合脉冲式的辐射使用光学偏转元件，该偏转元件相应地沿着第一光导体的第二耦合面运动，以便于是将光输入耦合到第二光导体中。如偏转棱镜的光学偏转元件可以布置在旋转的载体上，以便将第一光导体的光偏转到第二光导体上。0021 与圆形形状不同，第二耦合面还可以网格状地定位，以便通过反射镜或者旋转的棱镜轮或者相应光学偏转装置的组合顺序地将辐射输入耦合到第二光导体中。0022 如果第二光导体的耦合面通过第一光导体的第二耦合面运动，则耦合损耗是可变的并且取决于朝向第一光导体运动的第二光导体的相应位置。相同的情况在朝

18、向第一光导说 明 书CN 102947739 A3/5页6体移动的耦合光学器件的情况下得出。0023 为了尽管如此也实现尽可能均匀的功率输出，本发明在扩展方案中规定，每两个相邻的LED被同时操控。因此，当第二光导体的耦合面部分地光学检测到为所接通的LED分配的第一光导体时、也就是当第二光导体的耦合面部分地与为所接通的LED分配的第一光导体相对布置时，分别接通相邻的LED。保留的剩余波纹度可以用LED电流的平衡模块被消除。这可以通过控制或者调节来进行。0024 但是，脉冲式运行也是可能的。为了实现最大的耦合效率，在分别在光学耦合之前不久至光学耦合之后不久的时间段中、即当在第二耦合面直接与第二光导

19、体的耦合面相对时，可以输出LED的短的光脉冲，该光脉冲可以与传感器的光积分时间同步。0025 与此无关地，本发明尤其是规定，第二耦合面布置在闭合的轨道上，第二光导体以其耦合面沿着该轨道运动或者对准静态布置的第二光导体的耦合面的光学器件沿着该轨道运动。0026 此外，为了最佳的光输入耦合，第一光导体的第二耦合面应平行于第二光导体的耦合面地对准。0027 开头所述类型的装置的特点尤其是，第二光导体相应于所接通LED的时钟对准至少一个所接通LED的第一光导体的第二耦合面，或者光学偏转元件可对准所分配的所接通的LED的第一光导体的第二耦合面，其中光学偏转元件将辐射转向到静态布置的第二光导体的耦合面（4

20、4）上。0028 LED尤其是应当布置在作为支架的冷却体上，其中必要时存在珀尔贴元件，以消除热量。0029 LED的数量可以位于2与100之间。0030 优选地，第一光导体以其第二耦合面布置在圆形轨道上，第二光导体的耦合面可沿着该圆形轨道运行，其中第一光导体的第二耦合面平行于第二光导体的耦合面地对准。0031 为了降低死区时间，规定了，第一光导体的覆层至少在第二耦合面的区域中被除去。0032 如果第二光导体朝向第一光导体运动，则提出第二光导体由保持元件容纳，该保持元件可围绕轴旋转，该轴穿过用于LED的支架，如环形盘，其中第二耦合面优选倾斜于所述轴延伸。0033 在静态布置的第二光导体的情况下，

21、第一光导体的输入耦合通过如偏转棱镜的光学偏转元件进行，该偏转元件固定在可旋转的支架上。在此，光学偏转元件可以从转盘出发，所述转盘可围绕穿过LED的支架的轴旋转，沿着该轴第二光导体至少在光学偏转元件的区域中延伸。0034 为了实现光学的输入耦合和输出耦合，规定了，至少一个为所接通的LED分配的第一光导体的第二耦合面和第二光导体的耦合面对准偏转棱镜的基面，其中优选在所述基面上布置聚焦辐射的透镜。附图说明0035 本发明的其他细节、优点和特征不仅从权利要求、从所述权利要求中获悉的特征（单独地和/或组合地）中得出，而且还从下面对由附图获悉的优选实施例的描述中得出。说 明 书CN 102947739 A

22、4/5页70036 图1示出用于传输脉冲运行的LED的装置的第一实施方式，图2示出第一和第二光导体的装置的原理图，图3示出用于传输脉冲运行的LED的装置的第二实施方式，图4以片段示出根据图3的装置的构型，图5示出用于表明连续功率输出的原理图，和图6示出用于表明脉冲式运行方式的原理图。具体实施方式0037 为了实现高光功率的LED（发光二极管）的光，根据本发明规定以脉冲运行方式来运行LED，尤其是白光LED。由此存在与CW运行中的最大电流相比可以将功率提高直至50倍或更多的可能性。由脉冲运行的LED发射的辐射于是经由第一光导体输入耦合到第二光导体上，高功率的辐射于是由该第二光导体引导以尤其是用于

23、施加给应当被测量的牙科技术对象。0038 用于产生高功率的相应LED辐射的第一装置从图1中获悉。因此在冷却体10上环形地布置有LED 12,14，所述冷却体可以具有用于更好地散热、也就是冷却的珀尔帖元件。为每个LED 12,14分配第一光导体16,18，如一短段光导纤维，其尤其可以是玻璃纤维或者聚合物光纤。光导体16,18配备有覆层。第一光导体16,18构造为一短段光导纤维，其足够长以便不低于S形光导纤维的最小弯曲半径。光导纤维16,18的长度优选处于5cm至15cm之间的范围中，其中该长度取决于光导纤维的最小弯曲半径。如果LED 12,14例如位于具有R=10cm的圆形半径上并且光导纤维的最

24、小弯曲半径为5cm，则可能需要15cm的纤维长度。如果上面布置有LED 12,14的圆形半径是R=5cm并且光导纤维的最小弯曲半径是1cm，则可能需要具有5cm纤维长度的光导纤维。0039 第一光导体16,18可以具有200m至1mm范围内的直径。作为材料优选设置SiO2，具有0.15至0.4范围内的数值孔径NA。光导体16,18可以包括具有石英包层的石英核。替代地可以采用HCS（Hard Clad Silica,硬包层硅石）纤维，即具有石英玻璃核和由特殊塑料构成的外罩的光波导体。这种HCS纤维例如由Laser Components有限公司提供。0040 当然，当LED 12,14没有布置在具

25、有珀尔帖元件的作为支架的物体上时，不脱离本发明。0041 光导体16,18具有直接对准相应LED 12,14的第一耦合面20,22和存在于光导体16,18的另一末端处的第二耦合面24,26。在第二耦合面24,26的区域中，覆层可以被除去。由此可以降低死区时间。第一耦合面20，22应当被安放得紧靠芯片面。0042 第二耦合面24,26区域中的光导体16,18通过支架30固定。0043 借助于具有位置编码器34的电动机32，轴36被引导通过轴承38和通过盘状的冷却体10。转盘40位于轴36上，该转盘40容纳第二光导体42，该第二光导体42的一个耦合面44对准第一光导体16,18的第二耦合面24,2

26、6，使得它们几乎彼此平行地并且优选倾斜于轴36的长轴地延伸。在此，这样进行转盘40以及因此第二光导体42的第二耦合面44的运动的同步，使得当相应的第一光导体的LED被施加、也就是接通电流时，耦合面44与第二耦合面24，26相对。第二光导体42具有200m至1mm范围内的直径并且优选由SiO2以0.15至0.4范围内的数值孔径NA构成。该第二光导体优选包括具有石英包层的石英核。说 明 书CN 102947739 A5/5页8可替换地，可以采用如之前已经提到的HCS（硬包层硅石）纤维。0044 在转盘40的旋转运动的情况下，光导体42的耦合面44应以沿着第一光导体16,18的第二耦合面24,26的

27、最小距离经过，以便将耦合损耗保持得尽可能小。优选地，该距离应当仅由光导纤维的制造公差限制，因为耦合面或纤维末端的互相摩擦必须被避免。该距离应当处于10m至200m的范围中。0045 第一光导体16,18的之前描述的布置也从图2中得出。认出布置在圆上的LED 12,46,48，第一光导体16，50,52从这些LED出发。0046 图3和图4示出用于传输由脉冲运行的LED产生的辐射的装置的第二实施方式，其中参照图1和2对于相同的元件使用相同的附图标记。脉冲运行的LED具有小于1的占空比。因此，接通时间、即其中接通一个LED/多个LED的时间小于接通时间处于其间的关断时间。根据传感器的积分时间和LE

28、D的数量以及两个光导纤维输出端处的可容忍的光功率波动，脉冲时长被优选设定在1m至100ms的范围中。如果脉冲尖峰功率例如超过LED的CW功率例如10倍，则占空比无论如何应当小于0.1，由此平均功率不超过允许的CW功率。0047 因此相应于图1的实施例，发光二极管12，14布置在冷却体10上。但是与图1的实施例不同，第二光导体54不由转盘44容纳，而是静态地布置。为了尽管如此也输入耦合LED辐射，设置转盘54，在该转盘54上布置偏转棱镜56，通过该偏转棱镜56将由第一光导体16，18引导的辐射输入耦合到第二光导体42的偶合面44中。识别出，通过该偏转棱镜56在实施例中从来自第一光导体18的第二偶

29、合面26出射的辐射被偏转到第二光导体42的偶合面44上。0048 转盘56优选具有平衡重量58，以便实现均匀的运动。转盘通过电动机32被驱动，为该电动机32相应于图1地分配位置编码器34。0049 第二光导体42在实施例中通过载体盘10中心。0050 为了实现对于输出耦合或输入耦合的辐射经改善的聚焦，可以相应于图4将聚焦透镜60，62布置到偏转棱镜56上，通过所述聚焦透镜60，62，第一光导体18的辐射以非常小的损耗输入耦合到第二光导体42上。0051 根据图5和6将阐述本发明装置的运行方式的可能性。因此在图5中示例性地阐述用于每个LED的电流源的时钟和第二光导体42中的输出功率的由此得出的时

30、间变化曲线。从上面的曲线64中可以获悉输出功率。识别出尽可能均匀的输出信号。为了实现这一点，每两个相邻的第一光导体同时被所属的LED照明，使得在从一个第一光导体到相邻的第一光导体的过渡时光功率不过强地下降。但是由此，可能的占空比减半。第一光导体用附图标记66，68，70，72，74表示并且扫过所述第一光导体的第二光导体用76表示。0052 从图6中获悉脉冲式运行和第二光导体中的输出功率的时间变化曲线。这通过上面的曲线78来象征性表示。如从相邻LED的操控中得出的那样（曲线80，82），当存在与第二光导体94的最佳重叠时，则LED 84，86，88，90，92之一接通。通过这种方式，根据图6中的实施例，各个LED 84，86，88，90，92的接通时长可以明显降低并且因此尖峰功率可以显著提高，如由曲线78得出的那样。说 明 书CN 102947739 A1/6页9图 1说 明 书 附 图CN 102947739 A2/6页10图 2说 明 书 附 图CN 102947739 A10