Способ и устройство для ввода излученного светодиодами излучения - RU2570094C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу подвода высокой световой мощности к измеряемому зуботехническому объекту. Также изобретение относится к устройству для передачи излучения, излученного работающими в импульсном режиме светодиодами (LED), через по меньшей мере один световод, содержащему светодиоды (LED), световоды, а также измеряемый объект, причем с каждым LED соотнесен первый световод с первой и второй плоскостями сопряжения, причем первые плоскости сопряжения размещены на первой окружности с первым диаметром, первые световоды своими первыми плоскостями сопряжения соответственно ориентированы на стационарно расположенный LED, вторые плоскости сопряжения размещены на замкнутой круговой траектории со вторым диаметром, а со вторыми плоскостями сопряжения соотнесена плоскость сопряжения второго световода, причем первый диаметр больше, чем второй диаметр.

В источниках света для ввода света в пучок волокон или в волоконных световодах применяют в настоящее время либо галогеновые лампы, либо ксеноновые (Хе) лампы. Общим для обоих типов является низкий кпд и соответственно высокое потребление тока.

Несмотря на то, что LED белого свечения (далее просто белые LED) между тем являются довольно мощными, однако достигаемая при этом плотность энергии все еще заметно ниже, чем, например, у Хе-ламп. Это объясняется, с одной стороны, относительно большой пространственной протяженностью генерирующей свет поверхности, а с другой стороны большим углом излучения, который затрудняет эффективный ввод в волокна или пучок волокон. Несмотря на то, что волоконный световод можно расположить очень близко к чипу светодиода (LED) или использовать фокусирующую оптику, однако мощность зачастую все же недостаточна.

Конусообразные элементы для улучшения эффективности ввода имеют недостаток, заключающийся в том, что угол апертуры дополнительно расширяется, а дихроичные объединители лучей имеют недостаток, заключающийся в том, что они могут использоваться только при сведении селективных диапазонов длин волн.

Это приводит к тому, что требования высокой световой мощности, которая должна быть введена в волоконные световоды, не могут быть удовлетворены с помощью LED.

В US-A-2008/0310181 раскрывается осветительная система высокой яркости, которая может использоваться в камере эндоскопа. Устройство содержит группы синих, зеленых и красных светодиодов, свет которых через волоконные световоды передается в передающий пучок и через смеситель - на оптический пучок 2, чтобы затем иметь возможность использовать свет для камеры эндоскопа.

Предметом US-A-5109447 является широкополосный сигнальный источник света. В данном случае предусмотрен волноводный ответвитель, подающий сигналы, переданные через множество соотнесенных с LED световодов, во второй световод, который имеет широкополосный выход.

В осветительном устройстве согласно US-A-2005/0046807 свет от размещенных по окружности LED передается во второй световод, ориентированный на соответствующий LED.

DE-U-202008006191 относится к устройству для использования светодиодов для освещения высокой мощности. При этом используется множество светодиодов, причем с каждым LED соотнесена первая плоскость сопряжения световода. Вторые плоскости сопряжения световодов при этом подобно кабелям объединяются в один блок световодов, чтобы образовать область эмиссии света.

ЕР-А-1602962 относится к осветительному устройству и проектору изображений. Через светопроводы передается свет, причем светопроводы имеют изменяющийся диаметр, чтобы сформировать световое поле большой площади.

Предметом WO-A-2010/045062 является система отображения на микрофильмах, в которой осуществляется синхронизация между LED-излучателем и режимом работы строчной камеры.

В основе настоящего изобретения лежит задача усовершенствовать способ и устройство вышеупомянутого типа таким образом, чтобы посредством LED генерировать высокую мощность для подвода к измеряемым зуботехническим объектам. При этом конструктивные затраты должны быть невысокими и одновременно должна создаваться возможность достижения отдачи мощности с желательным коэффициентом пульсации. Также задачей изобретения является минимизировать периоды запаздывания и упростить подачу тока на LED.

В соответствии с изобретением эта задача по существу решается способом подвода высокой световой мощности к зуботехническому объекту, причем

- излучение, излученное множеством светодиодов (LED), вводится в световод,

- каждый LED располагается стационарно, и LED размещаются на первой окружности с первым диаметром,

- с каждым LED соотнесен первый световод в форме изогнутого волоконного световода с первой и второй плоскостями сопряжения, причем вторые плоскости сопряжения размещены на второй окружности со вторым диаметром,

- излучение одного из LED вводится соответственно через первую плоскость сопряжения в один из первых световодов,

- излучение соответствующего включенного LED, выходящее из вторых плоскостей сопряжения, передается на плоскость сопряжения второго световода в форме волоконного световода,

- излучение, исходящее из второго световода, подается на измеряемый зуботехнический объект,

причем LED приводятся в действие в импульсном режиме с длительностью импульсов от 1 мкс до 100 мс и соотношением импульс/пауза менее 1 и последовательно друг за другом, а вторые плоскости сопряжения расположены на замкнутой траектории, вдоль которой перемещается второй световод своей плоскостью сопряжения или оптика, ориентированная на плоскость сопряжения стационарно расположенного второго световода, и причем вторая плоскость сопряжения при подвижном втором световоде и оптика при стационарно расположенном втором световоде поворачиваются вокруг оси, а первая и вторая окружности пересекают ось в отклоняющихся друг от друга плоскостях.

В соответствии с изобретением используют свойство LED, в частности LED белого свечения, состоящее в том, что они, по сравнению с максимальным током в непрерывном (CW) режиме, могут эксплуатироваться в импульсном режиме при коэффициенте до 50 или несколько больше. При этом LED в виде LED белого свечения может эксплуатироваться с высокой импульсной мощностью при соответственно коротких импульсах, при сохранении средней мощности при соответствующей скважности (Duty-Cycle).

Для того чтобы избегать ненужных периодов запаздывания и, в частности, обходить контактные кольца для подачи тока на LED, в соответствии с изобретением LED размещены стационарно. С первыми световодами, соотнесенными с LED, соотнесен второй световод, который выполнен либо стационарно, либо с возможностью ориентирования своей плоскостью сопряжения по отношению ко вторым плоскостям сопряжения первого световода таким образом, что в желательном объеме и соответственно тактовой последовательности включенных LED осуществляется ориентирование на световод - при необходимости, на два соседних световода LED, через которые протекает ток и которые, тем самым, излучают свет.

Иными словами, используется нужное количество LED, свет от которых вводится последовательно во времени друг за другом в первый волоконный световод, так что мощность может быть увеличена на коэффициент 50 или более.

Несмотря на то, что существует возможность разместить LED на поворотном колесе, а световой импульс генерировать посредством LED точно в момент времени, когда он находится напротив световода, который размещен стационарно, однако за счет этого возникали бы ненужные периоды запаздывания. Другой недостаток заключается в необходимости контактных колец для подачи тока на LED.

Благодаря решению согласно изобретению минимизируются периоды запаздывания, исключаются контактные кольца и опционально формируется максимально равномерная заданная мощность или целенаправленно генерируются импульсы в определенном временном растре. Тем самым также создается возможность синхронизировать временной растр с частотой регенерации изображения (Frame rate - частотой кадров) записывающего устройства, такого как камера на приборах с зарядовой связью (ПЗС).

В соответствии с решением согласно изобретению первые световоды расположены таким образом, что соответственно первый световод соотнесен с LED в качестве короткого отрезка волоконного световода. Это может осуществляться посредством непосредственной установки вблизи плоскости чипа LED. В этом случае существует возможность расположить первый световод в круговой форме наиболее близко, причем покрытие световода по меньшей мере в зонах вторых плоскостей сопряжения может быть удалено, чтобы сократить периоды запаздывания. С соответствующими первыми световодами, такими как волоконные световоды, соотнесен второй световод, чтобы передавать импульсное излучение отдельных световодов. При этом может использоваться свет с более высокой плотностью мощности, например, для подвода к измеряемому объекту, такому как зуб или область челюсти, подлежащие измерению.

Длина световода должна выбираться таким образом, чтобы избегать радиуса изгиба.

Существует возможность провести второй световод вдоль вторых плоскостей сопряжения первых световодов, причем осуществляется синхронизация последовательно включаемых LED. Так, например, второй световод своей плоскостью сопряжения может перемещаться вдоль круговой траектории, причем вторая плоскость сопряжения первого световода включенного LED в момент включения противолежит плоскости сопряжения второго световода в центральной области.

Вместо подвижного второго световода последний может также размещаться стационарно, причем для ввода импульсного излучения используется оптический отклоняющий элемент, который соответственно перемещается вдоль вторых плоскостей сопряжения, чтобы затем ввести свет во второй световод. Оптический отклоняющий элемент, такой как отклоняющая призма, может размещаться на поворотном держателе, чтобы отклонять свет первого световода во второй световод.

В отличие от круговой формы вторые плоскости сопряжения могут также позиционироваться в форме растра, чтобы последовательно вводить излучение во второй световод с помощью зеркала, или призменных дисков, или посредством комбинации соответствующих оптических отклоняющих средств.

Если плоскость сопряжения второго световода перемещается через вторые плоскости сопряжения первого световода, то потери сопряжения являются переменными и зависят от соответствующего положения второго световода, перемещающегося по направлению к первым световодам. То же самое относится к сопрягающей оптике, перемещаемой по направлению к первым световодам.

Для того чтобы несмотря на это достичь наиболее равномерной отдачи мощности, в усовершенствованном варианте осуществления изобретения предусматривается, что соответственно два соседних LED управляются одновременно. Тем самым включаются соответственно смежные LED, когда плоскость сопряжения второго световода частично оптически воспринимает первые световоды, соотнесенные с включенными LED, то есть размещается напротив. Остаточная пульсация может исключаться с помощью компенсирующей модуляции тока LED. Это может осуществляться посредством управления или регулирования.

Также возможен импульсный режим. Чтобы достичь максимальной эффективности сопряжения, можно во временном интервале соответственно от несколько раньше перед и до несколько позже оптимального сопряжения, когда вторая плоскость сопряжения расположена непосредственно напротив плоскости сопряжения второго световода, выдать короткий световой импульс LED, который может синхронизироваться со временем интегрирования света датчика.

Независимо от этого изобретение, в частности, предусматривает, что вторые плоскости сопряжения размещаются на замкнутой траектории, вдоль которой своей плоскостью сопряжения перемещается второй световод или оптика, ориентированная на плоскость сопряжения стационарно расположенного второго световода.

Кроме того, для оптимального ввода света вторые плоскости сопряжения первых световодов должны ориентироваться параллельно плоскости сопряжения второго световода.

Устройство вышеописанного типа характеризуется, в частности, тем, что второй световод в соответствии с тактированием включенных LED может ориентироваться на вторую плоскость сопряжения первого световода в форме изогнутого волоконного световода по меньшей мере одного включенного LED или тем, что оптический отклоняющий элемент может ориентироваться на вторую плоскость сопряжения первого световода соответствующего включенного LED, а оптический отклоняющий элемент направляет излучение на плоскость сопряжения стационарно расположенного второго световода, причем для ориентирования второго световода на включенный LED второй световод или оптический отклоняющий элемент, ориентированный на вторую плоскость сопряжения, выполнены с возможностью поворота относительно оси, причем первая и вторая окружности пересекают ось в отклоняющихся друг от друга плоскостях и при этом выход второго световода ориентирован на объект, которым является зуб, область челюсти или зуботехнический объект.

LED должны, в частности, размещаться на теплоотводе в качестве держателя, причем, при необходимости, имеются элементы Пельтье, чтобы отводить тепло.

Количество LED может составлять от 2 до 100.

Предпочтительным образом первые световоды своими вторыми плоскостями сопряжения расположены на круговой траектории, вдоль которой может перемещаться плоскость сопряжения второго световода, причем вторые плоскости сопряжения первого световода ориентированы параллельно плоскости сопряжения второго световода.

Чтобы уменьшить периоды запаздывания, предусмотрено, что покрытие первого световода удалено по меньшей мере в области вторых плоскостей сопряжения.

Если второй световод должен перемещаться относительно первых световодов, предложено, что второй световод позиционируется на удерживающем элементе, который выполнен с возможностью поворота вокруг оси, проходящей через держатель для LED, такой как кольцевой диск, причем предпочтительно вторые плоскости сопряжения проходят наклонно к оси.

При стационарно расположенном втором световоде ввод может осуществляться от первых световодов через оптический отклоняющий элемент, такой как отклоняющая призма, который закреплен на поворотном держателе. При этом оптический отклоняющий элемент может исходить от поворотного диска, который выполнен с возможностью вращения вокруг оси, проходящей через держатель LED, вдоль которой второй световод располагается по меньшей мере в области оптического отклоняющего элемента.

Для обеспечения оптимального ввода и вывода предусмотрено, что на базовую плоскость отклоняющей призмы ориентированы вторая плоскость сопряжения по меньшей мере одного первого световода, соотнесенного с включенным LED, и плоскость сопряжения второго световода, причем предпочтительно на базовой плоскости размещены линзы, фокусирующие излучение.

Другие детали, преимущества и признаки изобретения следуют не только из пунктов формулы изобретения, раскрывающихся в них отдельных признаков и/или их комбинации, но также из предпочтительных примеров выполнения, следующих из приведенного ниже описания чертежей, на которых показано:

Фиг. 1 - первый вариант выполнения устройства для передачи работающих в импульсном режиме LED,

Фиг. 2 - принципиальное представление устройства первых и вторых световодов,

Фиг. 3 - вторая форма выполнения устройства для передачи работающих в импульсном режиме LED,

Фиг. 4 - фрагмент варианта выполнения устройства согласно фиг. 3,

Фиг. 5 - принципиальное представление для пояснения непрерывной отдачи мощности,

Фиг. 6 - принципиальное представление для пояснения импульсного режима работы.

Для того чтобы получить свет от светодиодов (LED) высокой световой мощности, в соответствии с изобретением предусмотрено, что LED, в частности LED белого света, эксплуатируются в импульсном режиме. Тем самым обеспечивается возможность повышения мощности на коэффициент 50 или более по сравнению с максимальным током в непрерывном режиме. Излучение, излучаемое работающими в импульсном режиме LED, вводится через первый световод во второй световод, от которого излучение высокой мощности затем направляется, в частности, на зуботехнический объект, который должен измеряться.

Первое устройство для генерации соответствующего излучения LED высокой мощности представлено на фиг. 1. На теплоотводе 10, который может иметь элементы Пелтье для лучшего теплоотвода, то есть охлаждения, кольцеобразно расположены LED 12, 14. С каждым LED 12, 14 соотнесен первый световод 16, 18 в виде короткого отрезка волоконного световода, который может представлять собой, в частности, стекловолокна или полимерные оптические волокна. Световоды 16, 18 снабжены покрытием. Первый световод 16, 18 выполнен как короткий отрезок волоконного световода, который имеет достаточную длину, чтобы не превышать минимальный радиус изгиба волоконного световода в S-образном витке. Длина световода 16, 18 находится предпочтительно в диапазоне от 5 см до 15 см, причем длина зависит от минимального радиуса изгиба световода. Если LED 12, 14 располагаются, например, по радиусу окружности R=10 см и минимальный радиус изгиба волоконного световода составляет 5 см, то потребовалась бы длина волокна 15 см. Если радиус, на котором расположены LED 12, 14, R=5 см и минимальный радиус изгиба волоконного световода 1 см, то потребовался бы волоконный световод с длиной волокна 5 см.

Первый световод 16, 18 может иметь диаметр в диапазоне от 200 мкм до 1 мм. В качестве материала предпочтительно используется SiO₂ с числовой апертурой NA в диапазоне от 0,15 до 0,4. Световод 16, 18 может включать в себя кварцевый сердечник с кварцевой оболочкой. В качестве альтернативы могут использоваться HCS-волокна (Hard Clad Silica волокно из кварцевого стекла в жесткой оболочке), то есть световод с сердечником из кварцевого стекла и оболочкой из специального полимера. Подобные HCS-волокна предлагаются, например, компанией Laser Composition GmbH.

Разумеется, в объем изобретения входит решение, когда LED 12, 14 размещены не на корпусе, содержащем элементы Пельтье, в качестве держателя.

Световоды 16, 18 имеют первые плоскости сопряжения 20, 22, ориентированные непосредственно на соответствующий LED 12, 14, и имеющиеся на другом конце световодов 16, 18 вторые плоскости сопряжения 24, 26. В области вторых плоскостей сопряжения 24, 26 может быть удалено покрытие. За счет этого могут сокращаться периоды запаздывания. Первые плоскости сопряжения 20, 22 должны располагаться непосредственно вблизи поверхности чипа.

Световоды 16, 18 фиксированы в области вторых плоскостей сопряжения 24, 26 посредством держателя 30.

Посредством двигателя 32 с кодером 34 положения вал 36 проводится через подшипник 38 и через теплотвод 10 дискообразной формы. На валу 36 находится поворотный диск 40, который позиционирует второй световод 42, плоскость 44 сопряжения которого, таким образом, ориентирована на вторые плоскости 24, 26 сопряжения первого световода 16, 18, что они проходят почти параллельно друг другу и предпочтительно под углом к продольной оси вала 36. При этом осуществляется синхронизация движения поворотного диска 40 и, тем самым, плоскости 44 сопряжения второго световода 42 таким образом, что плоскость 44 сопряжения находится напротив одной из вторых плоскостей 24, 26 сопряжения тогда, когда LED соответствующего первого световода нагружается током, то есть включается. Второй световод 42 имеет диаметр в диапазоне от 200 мкм до 1 мм и состоит предпочтительно из SiO₂ c числовой апертурой в диапазоне от 0,15 до 0,4. Второй световод имеет кварцевый сердечник с кварцевой оболочкой. В качестве альтернативы могут использоваться HCS-волокна (оптоволокно из кварцевого стекла в жесткой оболочке), как упоминалось выше.

При поворотном движении поворотного диска 40 плоскость 44 сопряжения световода 42 должна проходить с минимальным промежутком вдоль вторых плоскостей сопряжения 24, 26 первого световода 16, 18, для того чтобы потери на сопряжение удерживать по возможности на незначительном уровне. Предпочтительным образом промежуток должен быть ограничен только допусками на изготовление волоконных световодов, так как взаимное скольжение плоскостей сопряжения или концов волокна должно быть надежно предотвращено. Промежуток должен находиться в диапазоне от 10 мкм до 200 мкм.

Вышеописанное устройство первых световодов 16, 18 следует также из фиг.2. Показаны расположенные по окружности LED 12, 46, 48, от которых исходят первые световоды 16, 50, 52.

На фиг. 3 и 4 показан второй вариант выполнения устройства для передачи излучения, которое генерируется работающими в импульсном режиме LED, причем по отношению к фиг. 1 и 2 для одинаковых элементов использованы одинаковые ссылочные позиции. Работающие в импульсном режиме LED имеют соотношение импульс/ пауза менее 1. Следовательно, время включения, то есть время, в течение которого LED включен(ы), меньше, чем периоды времени выключения, которые находятся между периодами времени включения. В зависимости от времени интегрирования датчика и количества LED, а также допустимых колебаний мощности на выходе вторых волоконных световодов, длительность импульса предпочтительно устанавливается в диапазоне от 1 мкс до 100 мс. Если импульсная пиковая мощность превышает, например, мощность в непрерывном режиме LED, например, на коэффициент 10, то соотношение импульс/ пауза должно в любом случае быть меньше, чем 0,1, чтобы средняя мощность не превышала мощность непрерывного излучения.

В соответствии с примером выполнения согласно фиг. 1 светодиоды 12, 14 размещены на теплоотводе 10. В отличие от примера выполнения согласно фиг. 1 второй световод 54 не позиционируется на поворотном диске 44, а размещен стационарно. Чтобы независимо от этого вводить излучение LED, предусмотрен поворотный диск 54, на котором размещена отклоняющая призма 56, через которую направленное от первых световодов 16, 18 излучение вводится в плоскость 44 сопряжения второго световода 42. Показано, что через отклоняющую призму 56 и в данном примере выполнения из второй плоскости 26 сопряжения излучение, исходящее из первого световода 18, отклоняется на плоскость 44 сопряжения второго световода 42.

Поворотный диск 56 имеет предпочтительным образом противовес 58, чтобы обеспечить возможность равномерного движения. Поворотный диск приводится в движение двигателем 32, с которым соотнесен кодер 34 положения согласно фиг. 1.

Второй световод 42 в данном примере выполнения пересекает несущий диск 10 по центру.

Чтобы достичь улучшенной фокусировки выводимого или вводимого излучения, в соответствии с фиг. 4 на отклоняющей призме 56 могут располагаться фокусирующие линзы 60, 62, через которые излучение первых световодов 18 с очень малыми потерями вводится во второй световод 42.

На основе фиг. 5 и 6 поясняется возможность способа работы соответствующих изобретению устройств. Так на фиг. 5 в качестве примера поясняется тактирование источника тока для каждого из LED и вытекающая отсюда временная характеристика выходной мощности во втором световоде 42. Выходная мощность соответствует верхней кривой 64. Показан максимально равномерный выходной сигнал. Чтобы достичь этого, соответствующие два соседних первых световода одновременно подсвечиваются соответствующими LED, так что при переходе от первого световода к соседнему первому световоду световая мощность не сильно спадает. За счет этого в общем случае скважность (Duty Cycle) возможно уменьшить наполовину. Первые световоды обозначены ссылочными позициями 66, 68, 70, 72, 74, а пересекающий их второй световод обозначен как 76.

На фиг. 6 показаны импульсный режим и временная характеристика выходной мощности во втором световоде. Она символически представлена верхней кривой 78. Как следует из управления соседними LED (кривые 80, 82), один из LED 84, 86, 88, 90, 92 включается тогда, когда имеет место оптимальное перекрытие со вторым световодом 94. Таким способом можно в соответствии с примером выполнения согласно фиг. 6 заметно сократить длительность включения отдельных LED 84, 86, 88, 90, 92 и тем самым значительно повысить пиковую мощность, как показано на кривой 78.

Реферат

Изобретение относится к способу и устройству для передачи к зуботехническому объекту излучения от работающих в импульсном режиме светодиодов через по меньшей мере один световод. С каждым светодиодом (12, 14) соотнесен первый световод (16, 18) с первой и второй плоскостями (20, 22, 24, 26) сопряжения. Световоды своими первыми плоскостями сопряжения ориентированы на соответствующий стационарный светодиод, вторые плоскости сопряжения размещены на замкнутой траектории. Со вторыми плоскостями (24, 26) сопряжения соотнесена плоскость (44) сопряжения второго световода (42). Второй световод (42) в соответствии с тактированием включенных LED (12, 14) может ориентироваться на вторую плоскость (24, 26) сопряжения первого световода (16, 18) по меньшей мере одного включенного LED. Технический результат - обеспечение высокой светоотдачи, минимизирование периодов запаздывания, упрощение конструкции. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула