Осветительное устройство
Осветительное устройство содержит установленный в корпусе источник света в виде кристалла мощного светодиода и светопроводящий волоконный жгут из высокоапертурного оптического волокна, имеющий плоский перпендикулярный волокнам торец. При этом торец волоконного жгута расположен в непосредственной близости к излучающей поверхности кристалла. Проксимальный конец волоконного жгута заключен в жесткую обойму, например, металлическую. Для отвода тепла, выделяемого светодиодом при свечении, корпус устройства выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например, из алюминия.
Полезная модель относится к области осветителей, основанных на использовании волоконной оптики и светодиодов. В частности, полезная модель касается осветителей используемых для освещения различных полостей, в том числе в медицинских и технических эндоскопах (бороскопах).
Для качественного визуального контроля объектов необходимо их хорошее освещение. В связи с этим осветители медицинского назначения, как правило, содержат мощный источник света и оптически связанный с ним волоконно-оптический жгут, передающий свет от источника излучения в заданную зону.
В качестве источников светового излучения в эндоскопах на протяжении многих лет использовали лампы, например, галогенные, металлогалоидные и ксеноновые, мощность которых составляет 100-300 Вт. При работе упомянутых ламповых источников света выделяется большое количество тепла, что определяет их основной недостаток. Поскольку входной торец волоконного осветительного жгута должен быть защищен от сильных тепловых воздействий, необходимо внутри источника света создавать устройства охлаждения. Другим недостатком ламповых источников света является необходимость собирать световой поток с помощью оптической системы, фильтровать его и фокусировать на входном торце осветительного жгута.
Альтернативный способ освещения в электронном эндоскопе описан в патенте США 6331156. Внутри эндоскопа расположена трубка, содержащая множество светодиодов, вытянутых вдоль оси трубки в линию. При этом каждый светодиод оптически связан с индивидуальным волоконным светопроводником, протянутым к дистальному концу эндоскопа, где расположен датчик изображения, проксимальный конец которого соединен с упомянутой трубкой, на дистальном конце которой все индивидуальные проводники собраны в единый жгут. В одном из вариантов этого изобретения волоконная жила расположена непосредственно перед излучающим светодиодом, в другом варианте между нею и светодиодом имеется собирающая оптика. Конструкция осветителя сложна и дорога в изготовлении, требует большого расхода оптоволокна. Кроме того, при использовании большого количества светодиодов для получения требуемой освещенности объекта выделяется большое количество тепла, трубка, в которой расположены светодиоды, нагревается и нагревает дистальный конец эндоскопа.
Другой пример использования светодиода в медицинских осветителях описан в заявке США на изобретение 2003/0231843. В заявке описано осветительное устройство, используемое в стоматологическом приборе, осуществляющем вулканизацию полимерных материалов. Осветительное устройство содержит множество светодиодов, каждый из которых связан с проводящей свет волоконной жилой, по которой свет попадает на общую излучающую поверхность на выходе прибора. При этом волоконная жила расположена в непосредственной близости от излучающей поверхности светодиода. Однако и в этом устройстве использована дополнительная оптика для сбора света с целью увеличения интенсивности суммарного светового потока.
Известно также изобретение, описанное в международной заявке WO 2006034171 и в патенте США 7198397. Описан «Способ установки источника света в рукоятке эндоскопа». В соответствии с изобретением сначала удаляют из стандартной упаковки светодиода часть линзы и часть средства, используемого для согласования показателей преломления, затем размещают открытый светодиод в рукоятке эндоскопа таким образом, чтобы излучающая поверхность кристалла светодиода оказалась в контакте с контактным концом осветительного волоконного жгута, передающего свет на рабочий конец эндоскопа. В соответствии с формулой изобретение не содержит оптики, например линз или зеркал, расположенных между источником света и волоконным жгутом. Однако при описании вариантов осуществления изобретения приводятся рисунки и поясняющий их текст, из которых становится ясно, что для увеличения интенсивности светового потока приходится использовать собирающую оптику. В частности, при описании Фиг.1, поясняющей изобретение, говорится о том, что для достижения максимального сбора излученного светодиодом света сначала удаляют линзу и соединяющий гель, открывая кристалл светодиода и его покрытие из фосфора. Затем между светодиодом и жгутом помещают пластиковый или стеклянный конус (solid plastic or glass taper), функционирующий как адаптер, который собирает практически весь излученный светодиодом поток и эффективно направляет его в жгут, который доставляет свет в дистальный конец прибора. В соответствии с этим изобретением кристалл установлен на теплоотводящем элементе. Энергия поступает к кристаллу от батарейки по проводам. Жгут заклеен эпоксидной смолой в обойме из нержавеющей стали. Однако обоймы может и не быть, если нет необходимости в том, чтобы сгруппировать волокна (например, когда вместо множества волокон используют одно волокно большого диаметра или стержень). Полированный конец жгута контактирует с поверхностью кристалла и находится настолько близко к ней, насколько это технически возможно. Тем не менее, потери света имеются. Поэтому в другом варианте осуществления изобретения возвращаются к использованию собирающей оптики, при этом жгут помещают в непосредственной близости к линзе. Это позволяет собрать достаточное количество света. Однако эффективность такой оптической передачи низка, и в результате освещение предмета интереса будем меньшим, чем в предыдущем случае.
Изобретение, описанное в международной заявке WO 2006034171 и в патенте США 7198397, наиболее близко по технической сущности к заявляемому осветителю и принято за прототип.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение эффективности осветительного устройства, основанного на использовании светодиода и волоконной оптики, снижение затрат на его изготовление, экономия потребляемой устройством электрической энергии и упрощение процедуры его установки в эндоскопах любого типа и иных приборах, где требуется качественное освещение рассматриваемого объекта.
Решение поставленной задачи достигается тем, что осветительное устройство содержит установленный в корпусе источник света в виде кристалла светодиода и светопроводящий волоконный жгут из высокоапертурного оптического волокна, имеющий плоский перпендикулярный волокнам торец и расположенный в непосредственной близости к излучающей поверхности кристалла.
Для обеспечения стабильного фиксированного взаимного расположения торца волоконного жгута и излучающей поверхности кристалла проксимальный конец волоконного жгута заключен в жесткую обойму, например, металлическую.
С целью максимального сбора излученного света размер поперечного сечения торца жгута соответствует размеру излучающей поверхности кристалла.
Для отвода тепла, выделяемого светодиодом при свечении, корпус устройства выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, например, из алюминия.
Для удерживания проксимального конца волоконного жгута в положении, обеспечивающем максимальный сбор и передачу излученного света, корпус включает втулку с центральным отверстием для размещения проксимального конца волоконного жгута, при этом втулка дополнительно имеет боковое отверстие под стопорный винт для фиксации упомянутого волоконного жгута.
Сущность заявляемого осветительного устройства поясняется фиг.1-4.
На Фиг.1 показан общий вид осветительного устройства, вдоль его осевой линии.
На фиг.2 представлен поперечный разрез осветительного устройства вдоль его осевой линии.
На Фиг.3 схематически показано взаимное расположение кристалла светодиода и волоконного жгута, вид сбоку.
На Фиг.4 представлен вид сверху кристалла светодиода.
Как показано на Фиг.1 и Фиг.2, осветительное устройство 1 содержит корпус 2, в котором установлен и закреплен источник света в виде кристалла 3 светодиода. Корпус 2 помимо основной функции размещения и защиты элементов устройства 1 дополнительно выполняет функцию радиатора для отвода тепла, выделяемого кристаллом 3 при излучении света. В связи с этим он выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности, а его боковая поверхность снабжена ребрами. Корпус 2 включает также закрепленную в нем втулку 4, в центральном отверстии которой размещен проксимальный конец 5 волоконного жгута 6, передающего излученный свет к объекту освещения. Проксимальный конец 5 жгута 6 заключен в жесткую обойму 7. Форма проксимального конца 5 жгута 6 имеет круглое сечение. Обойма 7 может быть выполнена в виде металлической трубки, например, из нержавеющей стали. Могут быть использованы и другие материалы для обоймы, такие как металлы, термоустойчивые сплавы или пластики. К форме жгута на проксимальном конце предъявляются следующие требования: торец 8 жгута должен быть плоским, полированным и, в основном, перпендикулярным по отношению к сгруппированным в обойме волокнам. При этом форма жгута на дистальном конце может быть различной в зависимости от назначения осветителя, в частности, он может быть разделен на отдельные ветви для освещения объекта исследования с разных сторон.
Желательно, чтобы площадь торца 8 волоконного жгута 6 позволяла полностью закрыть излучающую поверхность кристалла 3. При этом волоконный жгут 6 не имеет с кристаллом 3 непосредственного механического контакта, но расположен настолько близко к его излучающей поверхности, насколько это технически выполнимо. Втулка 4, выполняющая функцию фиксатора проксимального конца 5 волоконного жгута 6, может быть закреплена в корпусе 2 осветительного устройства 1 любым известным способом, например, с использованием винтов 9. Как видно из Фиг.1, втулка 4 имеет сквозное отверстие 10 с винтовой нарезкой под стопорный винт 11, обеспечивающий жесткую фиксацию волоконного жгута 6 внутри втулки, что, в свою очередь, обеспечивает стабильность взаимодействия оптического жгута 6 с кристаллом 3.
Фиг.3 и 4 поясняют сущность этого взаимодействия. Кристалл 3 имеет форму квадрата (Фиг.2), размещенного в центре штатной подложки 12, снабженной центрирующей оправой 13. В штатной подложке 12 выполнены элементы 14 с выводами 15, подводящими ток к кристаллу.
Угол излучения кристаллов известных на сегодняшний день мощных светодиодов составляет примерно 120°. Следовательно, для предотвращения потерь излученного света угол, в пределах которого свет может передаваться оптическим волокном, должен быть примерно таким же. Высокоапертурное волокно, используемое для изготовления волоконного жгута 6 в соответствии с настоящей полезной моделью, удовлетворяет этому требованию. Очевидно, что на практике требуемый угол поля зрения может меняться. В этом случае согласование угла засветки описываемого осветителя может быть осуществлено использованием собирающей или рассеивающей линзы, устанавливаемой на дистальном конце осветителя.
Настоящая полезная модель была осуществлена в виде осветительного устройства для использования в гибком эндоскопе. Корпус осветительного устройства был изготовлен из алюминия. Его габаритные размеры частично определись размерами торцевой поверхности корпуса эндоскопа, к которой прикреплен осветитель. На Фиг.1 показаны длина n=38,4 мм и ширина d=30,4 мм. Глубина осветителя выбрана с учетом обеспечения эффективного отвода тепла и составила 30 мм. Эксперимент показал, что пользователь эндоскопа может удерживать его в руке длительное время, не ощущая никакого дискомфорта от нагрева корпуса. В осветительном устройстве использован кристалл светодиода Cree EZ 1000 мощностью 3 Вт. Кристалл представляет собой квадрат со стороной 1 мм, размещенный на упомянутой выше штатной подложке, содержащей две токопроводящие дорожки с выводами на их концах для соединения с источником питания. При этом светящаяся поверхность кристалла имеет форму квадрата со стороной 960 мк.
Между подложкой 12 и корпусом 2 была нанесена теплопроводящая паста 16 (см. Фиг.2). Светопроводный жгут диаметром 1,34 мм был изготовлен из оптического волокна марки LIFaTe С, имеющего угловую апертуру 120°. Жгут выполнялся с использованием традиционной технологии. Волокна собраны в трубку из нержавеющей стали, наружный диаметр которой составляет 2 мм, а внутренний диаметр - 1,5 мм, длина трубки - 15 мм. Торец образованного жгута отполирован и заклеен эпоксидной смолой. При этом плоская поверхность торца жгута перпендикулярна по отношению к наполняющим жгут волокнам.
При установке жгута в корпус осветителя осуществлялась юстировка. Варьируя положением торца волоконного жгута относительно поверхности кристалла, измеряли с помощью фотодетектора интенсивность светового потока, после чего в положении, обеспечивающем максимальную интенсивность, осветитель был закреплен на корпусе гибкого эндоскопа, при этом его дистальный конец был введен в ствол эндоскопа.
Количество света, измеренное люксметром на дистальном конце эндоскопа, составило 15000 люкс, т.е. значительно больше, чем в имеющихся на современном рынке Российских гибких эндоскопах. В частности, видеогастроэндоскоп фирмы ЛОМО (ГДБ - ГВК - 40 - ЛОМО) использует осветительное волокно диаметром 2,5 мм с апертурой 60° и металлогалоидную лампу мощностью 35 Вт в качестве источника света. Количество света на дистальном конце эндоскопа в зависимости от конкретного экземпляра составляет (8000-9000) люкс. При этом изготовленный образец осветителя на основе кристалла мощного светодиода и высокоапертурного волокна потребовал значительно меньшего количества волокна как по диаметру (пучок волокна приблизительно в 3, 4 раза тоньше), так и по длине. Последнее объясняется тем, что отпала необходимость вести волокно от корпуса эндоскопа до осветителя, т.к. заявляемый осветитель благодаря его малому нагреву может быть размещен непосредственно в корпусе эндоскопа, таким образом, жгут становится вдвое короче. Другое несомненное преимущество состоит в том, что изготовленный Заявителем образец гибкого эндоскопа не нуждается в достаточно сложной системе охлаждения, поскольку такая необходимость существует только при использовании в качестве источника света мощных ламп. При этом существенно снизилось потребление электроэнергии, чем в упомянутом эндоскопе ЛОМО.
1. Осветительное устройство, содержащее установленный в корпусе источник света в виде кристалла светодиода и светопроводящий волоконный жгут из высокоапертурного оптического волокна, имеющий плоский перпендикулярный волокнам торец и расположенный в непосредственной близости к излучающей поверхности кристалла.
2. Осветительное устройство по п.1, отличающееся тем, что проксимальный конец волоконного жгута заключен в жесткую обойму, например металлическую.
3. Осветительное устройство по п.1, отличающееся тем, что размер поперечного сечения торца жгута соответствует размеру излучающей поверхности кристалла.
4. Осветительное устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности.
5. Осветительное устройство по п.4, отличающееся тем, что корпус выполнен из алюминия.
6. Осветительное устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус включает втулку с центральным отверстием для размещения проксимального конца волоконного жгута, при этом втулка дополнительно имеет боковое отверстие под стопорный винт для фиксации упомянутого волоконного жгута.
