WO2013139621A1 - Beleuchtungseinrichtung zur erzeugung von licht mit unterschiedlicher abstrahlcharakteristik - Google Patents

Beleuchtungseinrichtung zur erzeugung von licht mit unterschiedlicher abstrahlcharakteristik Download PDF

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WO2013139621A1
WO2013139621A1 PCT/EP2013/054709 EP2013054709W WO2013139621A1 WO 2013139621 A1 WO2013139621 A1 WO 2013139621A1 EP 2013054709 W EP2013054709 W EP 2013054709W WO 2013139621 A1 WO2013139621 A1 WO 2013139621A1
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WO
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lighting device
excitation light
converter
light
light source
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PCT/EP2013/054709
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Bernd WÖLFING
Volker Hagemann
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Schott AG
Original Assignee
Schott AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F21—LIGHTING
    • F21K—NON-ELECTRIC LIGHT SOURCES USING LUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING ELECTROCHEMILUMINESCENCE; LIGHT SOURCES USING CHARGES OF COMBUSTIBLE MATERIAL; LIGHT SOURCES USING SEMICONDUCTOR DEVICES AS LIGHT-GENERATING ELEMENTS; LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F21K9/00—Light sources using semiconductor devices as light-generating elements, e.g. using light-emitting diodes [LED] or lasers
    • F21K9/60—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction
    • F21K9/64—Optical arrangements integrated in the light source, e.g. for improving the colour rendering index or the light extraction using wavelength conversion means distinct or spaced from the light-generating element, e.g. a remote phosphor layer

Definitions

  • Lighting device for generating light with
  • the present invention relates to a
  • Lighting device for generating light with
  • Beam-shaping element and a converter. It is the
  • White light sources can be found in numerous applications, for example in the field of medical diagnostics or non-contact measuring methods. Other applications may be in the lighting of buildings.
  • Lighting devices can be used for example in the headlight or headlights.
  • Light-emitting diode device Another development aims to connect a light source via a light guide with a lighting device. In this way, light source and
  • Lighting device are spatially decoupled from each other.
  • a conversion medium is often used, which is in the field of
  • Lighting device is arranged.
  • Conversion medium also called a converter, allows a conversion of the incoming radiation with respect to the wavelength, so that white light can be generated in this way.
  • Conversion medium is thus in transmission, that is, the radiation hits the conversion medium on one side and is discharged through another side.
  • a disadvantage may be a relatively high power loss in the
  • Conversion medium prove, which can lead to heating and high thermal stress of the conversion medium.
  • the heat removal is often difficult even with such an arrangement of radiation device and conversion medium. It's also a simple one
  • the inventors have set themselves the task, a
  • Distant area generated in homogeneous white light, being in the Close range of a different light can be generated.
  • the lighting device is intended in particular for reflection or projection devices as well
  • Lighting device for generating light with
  • Beam-shaping element and a converter according to one of the independent claims.
  • the invention accordingly relates to a lighting device for generating light with different
  • Radiation characteristic comprising an excitation light source for emitting blue excitation light, a
  • Beam shaping element and a converter for converting a portion of the excitation light are Beam shaping element and a converter for converting a portion of the excitation light.
  • the illumination device accordingly comprises at least one radiation source for emission of electromagnetic
  • Electromagnetic radiation is in the context of the invention as excitation light and the radiation source as
  • a first part of the excitation light can be converted into longer wavelength light. Therefore, converted light having a first emission characteristic can be emitted, and another part of the excitation light can be emitted with a second emission characteristic, so that light is transmitted through the illumination device
  • the converter can be used for transmission and / or remission of the excitation light.
  • the converter relates to an assembly comprising
  • Conversion medium for the conversion of electromagnetic radiation which further may have a grain structure for scattering the excitation light.
  • a coating preferably an AR coating, may be provided in order to reduce unwanted reflections of the excitation light and / or the converged light at the interfaces of the conversion medium.
  • the AR coating is preferably arranged on the side of the converter facing the excitation light. Furthermore, on the side facing away from the excitation light of the converter, a mirror or a mirror coating
  • a rear-side mirror is particularly suitable for a remission of the excitation light.
  • a filter in particular a
  • Short-pass filter for blue light provided which is permeable to blue excitation light, but converted, long-wave light to one
  • Such an arrangement is particularly favorable for a transmission of the calling light.
  • Excitation light can be influenced by different sizes.
  • the emission characteristic of the emitted excitation light can be determined by the scattering properties and / or the surface condition and / or the thickness and / or the shape and / or the geometric position of the interfaces of the converter.
  • the grain structure of the conversion medium can influence the nature and extent of the scattering of the excitation light.
  • the surface condition can influence the scattering of the blue excitation light on the light entry side, wherein, for example, a scattering layer can be applied to the converter or the
  • Exciting light facing surface of the converter is designed with a certain roughness.
  • the thickness of the converter thus the path length of the radiation of the excitation light in the conversion medium, can
  • the geometric shape of the converter in particular the orientation of the excitation light facing and the excitation light opposite sides of the converter to each other, influence the emission characteristic.
  • the converter can also be wedge-shaped, so that the
  • the formation of the interface that is, the surface of the converter, can also be beam-forming and thus the emission characteristic of the radiated
  • the rear interface that is, the side facing away from the excitation light source of the converter, be formed crowned.
  • the emission characteristic of the emitted, converted excitation light can also be determined by the variables mentioned above, in particular by the
  • the degree of conversion can be influenced in particular by the thickness of the conversion medium, wherein the thickness can be selected in particular in relation to the absorption length of the excitation light.
  • the lighting device further comprises a
  • Beam shaping element which is preferably provided in the beam path or the illumination direction of the converter for shaping the converted excitation light and the emitted excitation light.
  • the beam-shaping element can particularly advantageously comprise a plane mirror and / or a curved mirror, for example a parabolic concave mirror, and / or a lens.
  • Lighting device further comprises an optical element, which in the illumination direction in the vicinity of the
  • Beam shaping element is provided.
  • a proximity to the illumination device in which the position of the beams from the beam-shaping element of the
  • Exit point depends on the beam-shaping element and spatially different for a viewer is perceptible. Typically, this area is in one
  • Beam-shaping element As an extension, for example, the diameter of the beam-shaping element can be assumed.
  • a distance to the illumination device is to be understood as the distance range, in which the position of the beams essentially depends on the exit angle of the illumination device
  • Radiation depends on the beam-shaping element. By superimposing and mixing the converted light and the emitted excitation light, a homogeneous light can be generated.
  • the optical element may have scattering properties.
  • Perceptible color impression are generated, which differs from the visually perceptible color impression in the far range. In particular, it is the optically perceptible
  • Color impression in the far range predominantly homogeneous, whereas in the near range different color impressions can be generated in relation to the color and brightness visually perceptible to a viewer.
  • the color impression can be generated at an interface of the optical element. But it can also be generated in the volume of the optical element, in addition, a spatial, so three-dimensional effect can be effected.
  • Beam shaping element generated, causing a
  • the beam-shaping element by a special surface structure, for example by a certain Roughness of the side of the radiation facing
  • Beam shaping element be formed.
  • a projection device can on one of
  • the lens may also have a scattering in its volume, for example by the inclusion of particles.
  • the color impression can thus be effected by scattering in or on the beam-shaping element.
  • a predefined color impression can be effected by a spatial distribution of locations of different color coordinates, brightness and / or emission characteristic in the optical element, it being possible to determine the color coordinates on the basis of the CIE standard valence system and the brightness on the basis of the luminance. In the near range, therefore, a light heterogeneous with regard to the color coordinates and / or the brightness for a viewer can be generated.
  • the excitation light source of the illumination device may include a light source for generating monochromatic light, the light source preferably in the blue
  • the light of the monochromatic light source can be generated by a laser.
  • the invention is therefore a
  • Excitation light source in particular a monochromatic light source, wherein the monochromatic light by a Laser can be generated.
  • the blue spectral range of the radiation emitted by the excitation light source is understood to be that wavelength range which
  • Light source at least one semiconductor laser or a
  • Laser diode which can achieve very high power densities.
  • the excitation light source may further comprise an optical waveguide having a radiation emitting end. At the opposite end of the optical waveguide excitation light of the
  • Excitation light source can be coupled. Particularly preferred may be in the optical waveguide
  • Lighting device are spatially separated. This can be advantageous if the excitation light source can not be placed in or in the direct area of the illumination device, for example because of the space available.
  • the excitation light source can also be thermally decoupled from the illumination device and thus be cooled better.
  • the excitation light can for example be coupled in parallel into at least two or more optical light guides.
  • the light guide may also include a beam splitter having an input-side end and at least two or more output-side ends.
  • a beam splitter having an input-side end and at least two or more output-side ends.
  • the optical fiber can be used in a special case
  • a fiber optic light guide typically, such light guides include a core and a cladding region having different refractive indices and capable of directing electromagnetic radiation, for example by reflection.
  • the optical fiber is designed to conduct blue and / or ultraviolet electromagnetic radiation.
  • Other types of fiber optic light guides may be used, including
  • Crystal fiber light guides In the case of using a fiber bundle can by means of beam shaper or diffractive optical elements, the
  • Intensity distribution of the electromagnetic radiation of the excitation light source are adapted such that when coupled into a fiber optic light guide each fiber of a fiber bundle receives the same radiant energy.
  • Supporting device can therefore be formed with fastening means for positioning and fixing the excitation light source, whereby a simple and secure
  • the support device for example, with positioning aids, such as stops or pins, for
  • Recording the excitation light source may be formed.
  • the support device may advantageously be formed with grooves or grooves, in which the optical light guide can be inserted and fixed with a hold-down.
  • V-grooves which are particularly suitable for high-precision positioning of optical light guides, have proven particularly suitable for this purpose. In this way, a stable guidance of mechanically unstable optical light guides can be made particularly favorable.
  • Fiber optics are fixed. An exact, highly accurate spatial positioning and
  • Excitation light source is preferably such that the excitation light is emitted in the direction of the converter.
  • Beam path of the excitation light is, hereinafter also referred to as a light spot.
  • exact positioning of the light spot is necessary, therefore, the exact location of the light spot in relation to positioning of the
  • Lighting device or the carrier device of very high importance is very high importance.
  • Luminous spots and the lowest possible shading by the light supply of great importance with a small size of the lighting device and a smaller
  • the luminance and the efficiency can be influenced by the distance between excitation light source and converter, the size of the excitation light source and the NA of the excitation light. Due to the geometrical arrangement of the excitation light source and the conversion medium, the disadvantage may arise that the excitation light source lies in the region of the beam path, ie along the optical path, of the secondary radiation, if the emission of the converter is in remission. This can lead to unwanted shadowing effects, since the excitation light source and / or the carrier device can lie in the beam path of the secondary radiation.
  • Conversion medium can be increased. However, an increase in the distance can lead to a significant loss
  • Distance and low shading can be achieved when the converter is rotated by a certain angle in relation to the optical path of the excitation light, so that the excitation light obliquely impinges on the surface of the converter and remitted light in
  • the excitation light source and the converter on a be arranged common carrier device, wherein the converter can be aligned obliquely to the optical path of the excitation light.
  • Particularly good experiences have been made at an angle between the optical path of the excitation light and a normal to the surface of the conversion medium in a range of 30 ° to 75 °.
  • a conversion medium of the converter is a material for optical conversion
  • Such materials typically contain phosphors which, as optically active media, are the
  • Excitation light is converted into long-wave, yellow light and a further proportion is scattered and / or reflected as blue light.
  • a fraction in the green spectral range of the converted yellow light can be filtered out so as to obtain a white color locus of the remitted light in the far field, when the color line between the color locus of the excitation light and color locus of the
  • the conversion medium can be used to generate
  • ultraviolet spectral range is suitable.
  • a suitable material for the conversion medium has an optoceramic material with embedded
  • Grain structure for a use of excitation light in the blue spectral region proven.
  • the conversion medium comprises a low-doped, in particular less than 0.2 wt .-% doped Ce: YAG phosphor material.
  • a low doping is advantageous in terms of avoiding
  • gadolinium-free optoceramic conversion medium may also be advantageous because of the comparatively high heat resistance.
  • an optoceramic material of Ce: YAG with a thermal conductivity of at least 5 W / (m * K) can be used to achieve particularly high luminance.
  • such conversion media for example, at temperatures above 200 ° C without
  • Impairment of the conversion properties or without damage can be used.
  • the carrier device and / or the holder for attaching the converter may be preferred for a good
  • Carrier device and / or the holder for example, have cooling ribs. But they can also be thermally connected to a heat sink. In a further preferred embodiment, the
  • Excitation light source comprise an optical light guide with a spatially separated excitation light source. So a defective excitation light source can be easily replaced without the lighting device must be dismantled.
  • Lighting device can also be installed rotatable or movable in one or more degrees of freedom to effect a change in the direction of illumination, for example, for an adaptive light.
  • Excitation light source and the converter can be arranged. This allows the excitation light on the converter
  • the object of the present invention further relates to a headlamp for lighting, which a
  • Lighting device according to the invention and a
  • Reflector includes.
  • the lighting device is designed such that the light spot is arranged at the operating point of the reflector.
  • the lighting device can also be used for a projector, wherein the light spot in
  • Operating point of a lens system of the projector can be arranged.
  • the invention relates to a headlight for use in vehicles, which comprises a lighting device according to the invention.
  • the reflector may be formed as a headlight or the headlight include a lighting device according to the invention such that the light spot of the converter in
  • Lighting device for a headlamp the converter according to the specifications and guidelines, white light for vehicles to select.
  • Vehicle headlights this is for example in
  • a color location in the range of 5500 K to 6500 K can be favorable.
  • a conversion medium can be selected which in
  • Dependence of the radiation spectrum converts the excitation light into a secondary radiation having a white color location corresponding radiation characteristic.
  • Coherent blue light from a laser light source poses a not insignificant danger to a viewer when he looks directly into the excitation light. That is how it is
  • the reflector can therefore with a
  • jet trap be formed so-called jet trap and, for example, comprise an opening through which in the case of
  • the excitation light can be discharged without entering the environment.
  • the impairment of the efficiency of the reflector can be minimized when the excitation light source
  • Excitation light emitted with a small aperture and the opening in the reflector can be kept very small.
  • the converter can also be spherically polished on its rear side facing away from the excitation light and / or surrounded by a hollow-mirror-like holder so that, in the event of a defect or drop of the converter, the excitation light is reflected back onto the excitation light source.
  • the invention relates
  • Lighting devices in which a viewer in a close range a first color, optical
  • Figure 1 is a schematic side view of
  • Figure 2 is a schematic plan view of a
  • Figure 3 is a view of an obliquely arranged
  • Figure 4 is a schematic arrangement of a
  • Figure 5 shows a further schematic arrangement of a
  • Figure 6 is a schematic arrangement of a
  • FIG. 7 shows a further schematic arrangement of a
  • Figure 8 shows an embodiment, the setting
  • Figure 1 shows a schematic side view of a
  • the excitation light source comprises an optical
  • Light guide 14 emits coupled electromagnetic radiation as excitation light at its one end 15 in the direction of a converter 11.
  • the carrier device 10 is provided in the region of the attachment of the converter 11 with a mirror coating 12. This can be, for example, a coating of the corresponding contact surface 17.
  • the holder can also be equipped with a mirror or a metallic mirror
  • a hold-down 13 serves to fix the at least one optical waveguide 14.
  • a strain relief (not shown) can be used to secure the fiber optic
  • the hold-down 13 is formed very flat to minimize shading.
  • Downholder 13 is not mandatory
  • the optical waveguide 14 may also be glued in or on the carrier device.
  • Figure 2 shows a schematic plan view of a
  • Carrier device 10 comprising a converter 11.
  • a total of three grooves or grooves 20 are provided to fiber optic light guide (not shown) as
  • Lighting device Rather, the number of optical light guides depends on the requirements of the particular use, for example, the luminance to be achieved or the temperature of the excitation light source to be tolerated.
  • the excitation light of the excitation light sources is particularly advantageous at a common point on the converter 11, which represents the light spot 22. To achieve high efficiency and / or high
  • Luminance is to keep the spot 22 as small as possible.
  • the support device 10 is further formed with openings and / or holes 21 for attachment with other objects such as a reflector (not shown).
  • this can be formed, for example, with oblong holes 25 and holes 24 for dowel pins.
  • FIG. 3 schematically shows a cross-sectional view of a converter, with excitation light 63 impinging obliquely on the converter.
  • the carrier device 16 is in the region of attachment to the conversion medium 11 with a broadband
  • reflecting mirror 62 is formed. This can also be a broadband reflective coating of
  • Carrier device 16 be.
  • the converter 11 is on the surface facing the excitation light with a as
  • Bandstopfilter acting layer 61 formed having a certain proportion in the converted yellow light
  • the converted radiation can be filtered in a certain wavelength range
  • the reflected or backscattered blue spectral component and the converted filtered yellow spectral component produce white illumination light in their mixture.
  • this layer 61 can also be formed with an AR coating in order to reduce a reflection of excitation light and / or converted light and in this way Improve conversion efficiency.
  • the direction of propagation 72 of the yellow light converted by the conversion medium 11 corresponds approximately to a Lambert 'emitter, while reflected or scattered blue or ultraviolet light is emitted approximately in a certain beam direction 64.
  • FIG. 4 shows a schematic arrangement of a
  • the conversion medium 11 is in
  • the reflector 71 is arranged in the illumination direction of the converter 11.
  • the reflector 71 is formed as a parabolic half-concave mirror.
  • the converter 11 is arranged obliquely to the excitation light 63.
  • the beam cone of the reflected or scattered blue light is determined by its outer boundary 81, 82.
  • the blue light is reflected at the reflector and emerges from the reflector essentially collimated.
  • Beam paths 83, 84 show the outer boundaries of the blue, collimated light of the imaged ones
  • An optical device 85 is in
  • Device 85 may, for example, as a cover of the
  • This can be a Fresnel surface or a rough one
  • FIG. 91 A view of the optical device in the direction of the reflector 71 is shown in FIG. 91.
  • an observer looking from outside onto the optical device sees in the near zone an approximately homogeneous, first surface 93, which may appear yellowish or white, as well a spatially separated second surface 92, which appears substantially blue and is circular in shape.
  • the second area 92 acts on a viewer in the near field blue.
  • an optical color impression can be effected for a viewer in the near field, which can correspond to a so-called "laser pupil".
  • a lighting device can generate a white light.
  • FIG. 5 shows a further preferred embodiment, in which the excitation light 63 is perpendicular to the
  • Excitation light source is therefore in the beam path of the remitted from the conversion medium radiation, whereby a shading occurs.
  • the reflector is designed as a parabolic concave mirror 86.
  • An observer looking from outside onto the reflector 86 may have in the near area an approximately homogeneous, first surface 93, which may appear yellowish or white, as well as a spatially separated second surface 92, which in the
  • the second area 92 acts on a viewer in the near field blue. Due to the vertical impingement of the excitation light 63 on the conversion medium 11, the second surface 92 is located in the center of the illuminated surface 91. Due to the shading, a central third surface 94 can be seen, which in
  • Lighting device however, generate a white light.
  • FIG. 6 shows a development of the invention, comprising an optical lens 101 for focusing the
  • Excitation light 63 is shown schematically on a surface of the conversion medium 11. Schematically depicted
  • a beam trap 102 which as a concave mirror on the side facing away from the excitation light source side of
  • Conversion medium is provided. In the event of a defect or decay of the conversion medium, the blue light reflected or scattered in the direction of the excitation light source, which is harmful to the environment, can thus be detected
  • FIG. 7 shows a further development of the invention, in which a beam trap 102 is provided outside a reflector 71 at a location on which reflected or scattered blue light falls in the event of a fall of the conversion medium 11.
  • FIG. 8 shows the setting of a white field near
  • the converter 11 is provided with a mirror 31.
  • the converter 11 is selected with regard to its scattering properties so that 20% of the blue excitation light is remitted and 80% absorbed.
  • the converter 11 is selected so that 20% of the blue excitation light after
  • Penetrating the converter is emitted on a side opposite the entrance side.
  • the absorbed portion of the excitation light is largely converted into yellow light and emitted as a scattering lobe 51 either directly or after reflection at the mirror 31.
  • the blue remitted light is composed of a Fresnel reflex 40 and a scattering lobe 41 together.
  • This second scattering lobe 42 has - depending on the converter thickness and scattering - a more or less directional radiation characteristic.
  • the superposition of the scattering lobes 40, 41, 42 of the excitation light and the scattering lobe 51 of the converted light creates a
  • Angular dependence can be caused by roughening the
  • the fine adjustment for reaching the white-field-near point can alternatively take place via the application of a thin scattering layer on the excitation side of the converter 11.
  • the scattering layer can be made, for example, from T1O 2 or undoped, consist of optoceramic material. In both cases, the blue component is increased compared to the yellow component of the emitted light.

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Description

Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung von Licht mit
unterschiedlicher Abstrahlcharakteristik
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung von Licht mit
unterschiedlicher Abstrahlcharakteristik, umfassend
zumindest eine Anregungslichtquelle, ein
Strahlformungselement und einen Konverter. Dabei ist der
Konverter im Strahlengang der Anregungslichtquelle
angeordnet zur Konvertierung eines Teils des
Anregungslichtes in langwelligeres Licht und zur
Reflektierung eines anderen Teils des Anregungslichtes, wobei das insgesamt remittierte Licht im Fernbereich weiß erscheint .
Weißlichtquellen finden sich in zahlreichen Anwendungen, beispielsweise im Bereich der medizinischen Diagnostik oder der berührungslosen Messverfahren. Weitere Anwendungen können in der Beleuchtung von Gebäuden liegen. Ein
weiteres, wichtiges Anwendungsgebiet stellt der
Automotivbereich dar, wobei derartige
Beleuchtungseinrichtungen beispielsweise im Scheinwerfer bzw. als Scheinwerfer verwendet werden können.
Aktuelle Scheinwerfer im Automotivbereich umfassen häufig LED-Lichtquellen, wie beispielsweise in dem Dokument DE 10 2008 031 256 AI beschrieben, die eine weiße Beleuchtung ermöglichen. Als aufwendig gestaltet sich dabei
typischerweise die Realisierung einer ausreichenden
Kühlung bzw. einer guten Abfuhr der Wärme der
Leuchtdiodeneinrichtung . Eine andere Entwicklung zielt darauf, eine Lichtquelle über einen Lichtleiter mit einer Beleuchtungseinrichtung zu verbinden. Auf diese Weise können Lichtquelle und
Beleuchtungseinrichtung räumlich voneinander entkoppelt werden. Zur Erzeugung von Weißlicht wird dabei häufig ein Konversionsmedium verwendet, welches im Bereich der
Beleuchtungseinrichtung angeordnet ist. Das
Konversionsmedium, auch Konverter genannt, ermöglicht dabei eine Konvertierung der eintretenden Strahlung in Bezug auf die Wellenlänge, so dass auf diese Weise weißes Licht erzeugt werden kann.
Die Patentschrift US 7,356,054 B2 beschreibt eine derartige Beleuchtungseinrichtung. Hierbei ist das Konversionsmedium direkt mit dem Ende des Lichtleiters verbunden, um eine hohe Leuchtdichte zu erzielen. Die Anregung des
Konversionsmediums erfolgt demnach in Transmission, d.h die Strahlung trifft das Konversionsmedium auf der einen Seite und wird über eine andere Seite abgegeben. Als nachteilig kann sich eine relativ hohe Verlustleistung im
Konversionsmedium erweisen, die zu einer Erwärmung und zu einer hohen thermischen Belastung des Konversionsmediums führen kann. Die Wärmeabfuhr gestaltet sich häufig auch bei einer derartigen Anordnung von Strahlungseinrichtung und Konversionsmedium schwierig. Zudem ist ein einfaches
Austauschen des Konversionsmediums im Falle einer
Beschädigung ebenso kompliziert.
Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, eine
Beleuchtungseinrichtung zu entwickeln, welche im
Fernbereich in homogenes weißes Licht erzeugt, wobei im Nahbereich ein davon abweichendes Licht erzeugt werden kann .
Wünschenswert wäre es weiterhin eine
Beleuchtungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, welche weißes Licht mit einer ausreichend hohen Effizienz erzeugt und eine gute Wärmeabführung ermöglicht.
Dabei soll die Beleuchtungseinrichtung insbesondere für Reflektions- oder Projektionseinrichtungen sowie
insbesondere für Scheinwerfer verwendet werden können.
Überraschend einfach wird diese Aufgabe durch eine
Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung von Licht mit
unterschiedlicher Abstrahlcharakteristik, umfassend
zumindest eine Anregungslichtquelle, ein
Strahlformungselement und einen Konverter, nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der
Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Die Erfindung betrifft demnach eine Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung von Licht mit unterschiedlicher
Abstrahlcharakteristik, umfassend eine Anregungslichtquelle zur Abgabe von blauem Anregungslicht, ein
Strahlformungselement und einen Konverter zur Konvertierung eines Teils des Anregungslichtes.
Die Beleuchtungseinrichtung umfasst demnach zumindest eine Strahlungsquelle zur Emission elektromagnetischer
Strahlung. Die von der Strahlungsquelle abgegebene elektromagnetische Strahlung wird im Sinne der Erfindung auch als Anregungslicht und die Strahlungsquelle als
Anregungslichtquelle bezeichnet.
Ein erster Teil des Anregungslichtes kann in langwelligeres Licht konvertiert werden. Daher kann konvertiertes Licht mit einer ersten Abstrahlcharakteristik emittiert werden, wobei ein anderer Teil des Anregungslichtes mit einer zweiten Abstrahlcharakteristik abgestrahlt werden kann, so dass durch die Beleuchtungseinrichtung Licht mit
unterschiedlicher Abstrahlcharakteristik erzeugt werden kann .
Durch Überlagerung des konvertierten Lichts und des vom Konverter abgestrahlten Anregungslichts kann im Nahbereich ein gewünschter, vorgegebener Farbeindruck erzeugt werden, wohingegen das insgesamt abgestrahlte Licht im Fernbereich homogen weiß erscheint.
Der Konverter kann dabei zur Transmission und/oder zur Remission des Anregungslichtes verwendet werden.
Der Konverter betrifft eine Baugruppe, umfassend ein
Konversionsmedium zur Konvertierung elektromagnetischer Strahlung, welches weiterhin eine Kornstruktur zur Streuung des Anregungslichtes aufweisen kann. Es kann zudem eine Beschichtung, vorzugsweise eine AR-Beschichtung vorgesehen sein, um unerwünschte Reflektionen des Anregungslichtes und/oder den konvergierten Lichtes an den Grenzflächen des Konversionsmediums zu reduzieren. Vorzugsweise ist die AR- Beschichtung auf der dem Anregungslicht zugewandten Seite des Konverters angeordnet. Weiterhin kann auf der dem Anregungslicht abgewandten Seite des Konverters ein Spiegel bzw. eine Verspiegelung
vorgesehen sein. Ein rückseitig angeordneter Spiegel ist besonders für eine Remission des Anregungslichtes geeignet.
Ebenso kann frontseitig, also auf der dem Anregungslicht zugewandten Seite ein Filter, insbesondere ein
Kurzpassfilter für blaues Licht, vorgesehen sein, welcher entsprechend für blaues Anregungslicht durchlässig ist, aber konvertiertes, langwelligeres Licht zu einer
gegenüberliegenden Austrittsseite spiegelt. Eine derartige Anordnung ist besonders günstig für eine Transmission des Anredungslichtes .
Die Abstrahlcharakteristik des abgestrahlten
Anregungslichtes kann durch verschiedene Größen beeinflusst werden. Insbesondere kann die Abstrahlcharakteristik des abgestrahlten Anregungslichtes durch die Streueigenschaften und/oder die Oberflächenbeschaffenheit und/oder die Dicke und/oder die Form und/oder die geometrische Position der Grenzflächen des Konverters bestimmt werden.
So kann die Kornstruktur des Konversionsmediums Art und Umfang der Streuung des Anregungslichtes beeinflussen.
Weiterhin kann die Oberflächenbeschaffenheit die Streuung des blauen Anregungslichtes auf der Lichteintrittsseite beeinflussen, wobei beispielsweise eine Streuschicht auf den Konverter aufgebracht sein kann oder die dem
Anregungslicht zugewandte Oberfläche des Konverters mit einer bestimmten Rauhigkeit ausgebildet ist. Die Dicke des Konverters, somit die Weglänge der Strahlung des Anregungslichtes im Konversionsmedium, kann die
Streuung und damit die Abstrahlcharakteristik des
Anregungslichtes beeinflussen.
Weiterhin kann die geometrische Form des Konverters, insbesondere die Ausrichtung der dem Anregungslicht zugewandten und die dem Anregungslicht abgewandten Seiten des Konverters zueinander, die Abstrahlcharakteristik beeinflussen. Besonders vorteilhaft kann der Konverter dazu auch keilförmig ausgebildet sein, so dass die dem
Anregungslicht zugewandte und die abgewandte Seite nicht auf parallelen Ebenen liegen.
Die Ausbildung der Grenzfläche, also der Oberfläche des Konverters, kann ebenfalls strahlformend wirken und somit die Abstrahlcharakteristik des abgestrahlten
Anregungslichtes beeinflussen. So kann beispielsweise die rückseitige Grenzfläche, also die der Anregungslichtquelle abgewandte Seite des Konverters, ballig ausgebildet sein.
Die Abstrahlcharakteristik des emittierten, konvertierten Anregungslichtes kann ebenso durch die vorstehend genannten Größen bestimmt werden, insbesondere durch die
Streueigenschaften und/oder die Oberflächenbeschaffenheit und/oder die Dicke und/oder die Form und/oder die
geometrische Position der Grenzflächen des Konverters. Der Grad der Konvertierung kann dabei insbesondere durch die Dicke des Konversionsmediums beeinflusst werden, wobei die Dicke insbesondere im Verhältnis zur Absorptionslänge des Anregungslichtes ausgewählt werden kann.
Die Beleuchtungseinrichtung umfasst weiterhin ein
Strahlformungselement, welches bevorzugt im Strahlengang bzw. der Beleuchtungsrichtung des Konverters vorgesehen ist für eine Formung des konvertierten Anregungslichtes und des abgestrahlten Anregungslichtes.
Besonders günstig kann das Strahlformungselement dabei einen Planspiegel und/oder einen gekrümmten Spiegel, beispielsweise einen parabolischen Hohlspiegel, und/oder eine Linse umfassen.
In einer besonderen Ausführungsform umfasst die
Beleuchtungseinrichtung weiterhin ein optisches Element, welches in Beleuchtungsrichtung im Nahbereich des
Strahlformungselements vorgesehen ist.
Als Nahbereich ist im Sinne der Erfindung eine Distanz zu der Beleuchtungseinrichtung zu verstehen, bei der die Lage der Strahlen aus dem Strahlformungselement vom
Austrittspunkt aus dem Strahlformungselement abhängt und räumlich unterschiedlich für einen Betrachter wahrnehmbar ist. Typischerweise liegt dieser Bereich in einer
Entfernung von der Beleuchtungseinrichtung, welcher kleiner ist als der zehnfache Wert der Ausdehnung des
Strahlformungselements. Als Ausdehnung kann beispielsweise der Durchmesser des Strahlformungselements angenommen werden . Als Fernbereich ist im Sinne der Erfindung eine Distanz zu der Beleuchtungseinrichtung zu verstehen, bei der die Lage der Strahlen im Wesentlichen vom Austrittswinkel der
Strahlung aus dem Strahlformungselement abhängt. Durch Überlagerung und Mischen des konvertierten Lichtes und des abgestrahlten Anregungslichtes kann ein homogenes Licht erzeugt werden.
In einer besonderen bevorzugten Ausführungsform kann das optische Element streuende Eigenschaften aufweisen.
Auf diese Weise kann im Nahbereich ein optisch
wahrnehmbarer Farbeindruck erzeugt werden, der von dem optisch wahrnehmbaren Farbeindruck im Fernbereich abweicht. Insbesondere ist dabei der optisch wahrnehmbaren
Farbeindruck im Fernbereich überwiegend homogen, wohingegen im Nahbereich unterschiedliche Farbeindrücke in Bezug auf die für einen Betrachter optisch wahrnehmbare Farbe und Helligkeit erzeugt werden können.
Der Farbeindruck kann dabei an einer Grenzfläche des optischen Elements erzeugt werden. Er kann aber auch im Volumen des optischen Elements erzeugt werden, wobei zusätzlich ein räumlicher, also dreidimensionaler Effekt bewirkt werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform wird der Farbeindruck im Nahbereich durch eine entsprechende Ausbildung des
Strahlformungselements erzeugt, wodurch auf ein
zusätzliches optisches Element verzichtet werden kann.
Hierzu kann das Strahlformungselement durch eine besondere Oberflächenstruktur, beispielsweise durch eine bestimmte Rauhigkeit der der Strahlung zugewandten Seite des
Strahlformungselements, ausgebildet sein.
In einer Projektionseinrichtung kann auf einer von
außerhalb der Einrichtung sichtbaren Linse auf einer
Oberfläche, insbesondere auf der Lichtaustrittsseite der Linse, eine besondere Oberflächenstruktur, beispielsweise durch eine bestimmte Rauhigkeit der der Strahlung
zugewandten Seite in einem Reflektor, ausgebildet sein. In einer anderen Ausführungsform kann die Linse auch in ihrem Volumen streuend wirken, zum Beispiel durch den Einschluss von Partikeln. Der Farbeindruck kann somit durch Streuung in oder auf dem Strahlformungselement bewirkt werden. Ein vorgegebener Farbeindruck kann durch eine räumliche Verteilung von Orten unterschiedlicher Farbkoordinaten, Helligkeit und/oder Abstrahlcharakteristik im optischen Element bewirkt werden, wobei die Farbkoordinaten anhand des CIE-Normvalenzsystem und die Helligkeit anhand der Leuchtdichte bestimmt werden können. Im Nahbereich kann somit ein in Bezug auf die Farbkoordinaten und/oder die Helligkeit für einen Betrachter heterogenes Licht erzeugt werden . Die Anregungslichtquelle der Beleuchtungseinrichtung kann eine Lichtquelle zur Erzeugung monochromatischen Lichtes umfassen, wobei die Lichtquelle bevorzugt im blauen
Spektralbereich emittiert. Das Licht der monochromatischen Lichtquelle kann durch einen Laser erzeugt werden.
Gegenstand der Erfindung ist demnach eine
Anregungslichtquelle, insbesondere eine monochromatische Lichtquelle, wobei das monochromatische Licht durch einen Laser erzeugt werden kann. Unter blauen Spektralbereich der von der Anregungslichtquelle emittierten Strahlung wird dabei derjenige Wellenlängenbereich verstanden, der
überwiegend unter 500 nm, bevorzugt unter 480 nm und besonders bevorzugt unter 470 nm liegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die
Lichtquelle zumindest einen Halbleiterlaser oder eine
Laserdiode, welche sehr hohe Leistungsdichten erreichen können.
Die Anregungslichtquelle kann weiterhin einen optischen Lichtleiter umfassen mit einem Strahlung emittierenden Ende. An dem entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Ende des optischen Lichtleiters kann Anregungslicht der
Anregungslichtquelle eingekoppelt werden. Besonders bevorzugt kann in den optischen Lichtleiter
elektromagnetische Strahlung im blauen Spektralbereich eingekoppelt werden.
Auf diese Weise kann die Anregungslichtquelle von der
Beleuchtungseinrichtung räumlich separiert werden. Dies kann vorteilhaft sein, wenn die Anregungslichtquelle beispielsweise aufgrund der Platzverhältnisse nicht in oder im direkten Bereich der Beleuchtungseinrichtung platziert werden kann.
Weiterhin kann auf diese Weise die Anregungslichtquelle auch thermisch von der Beleuchtungseinrichtung entkoppelt und somit besser gekühlt werden. Zudem ist es möglich, mit nur einer Anregungslichtquelle mehrere erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtungen mit Anregungslicht zu versorgen. Hierzu kann das Anregungslicht beispielsweise parallel in zumindest zwei oder mehrere optische Lichtleiter eingekoppelt werden. Der optische
Lichtleiter kann hierzu auch einen Strahlteiler mit einem eingangsseitigen Ende und zumindest zwei oder mehreren ausgangsseitigen Enden umfassen. Zur Erzielung einer besonders hohen Leuchtdichte,
insbesondere zur Erzielung einer besonders hohen Leistung, ist es auch möglich, Anregungslicht von mehreren
Anregungslichtquellen in einen optischen Lichtleiter einzukoppeln . Es ist aber auch möglich, Anregungslicht von mehreren Anregungslichtquellen über mehrere optische
Lichtleiter zu der Beleuchtungseinrichtung zu
transportieren und auf den Konverter abzustrahlen.
Der optische Lichtleiter kann in einer besonders
bevorzugten Ausführung einen faseroptischen Lichtleiter umfassen. Typischerweise umfassen derartige Lichtleiter einen Kern- und einen Mantelbereich mit unterschiedlichen Brechungsindizes und vermögen es, beispielsweise mittels Reflexion, elektromagnetische Strahlung zu leiten.
Vorzugsweise ist der optische Lichtleiter zur Leitung von blauen und/oder ultravioletten elektromagnetischen Strahlen ausgebildet. Es können auch andere Arten von faseroptischen Lichtleitern verwendet werden, umfassend
Gradientenindexfaser-Lichteiter oder photonische
Kristallfaser-Lichtleiter. Im Falle der Verwendung eines Faserbündels kann mittels Strahlformer oder diffraktiver optischer Elemente die
Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung der Anregungslichtquelle derart angepasst werden, dass bei Einkopplung in einen faseroptischen Lichtleiter jede Faser eines Faserbündels die gleiche Strahlungsenergie erhält.
Die Anregungslichtquelle ist vorzugsweise mit einer
Trägervorrichtung fest und lösbar verbunden. Die
Trägervorrichtung kann daher mit Befestigungsmitteln für eine Positionierung und Fixierung der Anregungslichtquelle ausgebildet sein, wodurch ein einfaches und sicheres
Austauschen der Anregungslichtquelle ermöglicht werden kann. Hierzu kann die Trägervorrichtung beispielsweise mit Positionierhilfen, etwa Anschlägen oder Stiften, zur
Aufnahme der Anregungslichtquelle ausgebildet sein.
Zur Aufnahme eines oder mehrerer optischer Lichtleiter kann die Trägervorrichtung vorteilhaft mit Rillen oder Nuten ausgebildet sein, in die der optische Lichtleiter eingelegt und mit einem Niederhalter befestigt werden kann. Als besonders geeignet haben sich hierzu auch V-Grooves herausgestellt, welche besonders geeignet sind für eine hochgenaue Positionierung optischer Lichtleiter. Auf diese Weise kann besonders günstig eine stabile Führung auch von mechanisch instabilen optischen Lichtleitern ermöglicht werden. Mittels eines Niederhalters kann der optische
Lichtleiter fixiert werden. Eine exakte, hochgenaue räumliche Positionierung und
Orientierung der Anregungslichtquelle in Bezug auf das Konversionsmedium ist sehr wichtig, um einen genau
bestimmten Bereich des Konverters zu bestrahlen.
Die Positionierung und Orientierung der
Anregungslichtquelle erfolgt vorzugsweise derart, dass das Anregungslicht in Richtung auf den Konverter emittiert wird .
Für eine hohe Leuchtdichte ist es günstig, wenn ein
möglichst großer Anteil des Anregungslichtes einen
möglichst kleinen Bereich des Konverters bestrahlt. Der Bereich der Oberfläche des Konverters, der direkt im
Strahlengang des Anregungslichtes liegt, wird nachfolgend auch als Leuchtfleck bezeichnet. Für eine hoch effiziente Beleuchtungseinrichtung ist eine exakte Positionierung des Leuchtflecks notwendig, daher ist die exakte Lage des Leuchtflecks in Bezug zu Positionierhilfen der
Beleuchtungseinrichtung bzw. der Trägervorrichtung von sehr hoher Bedeutung.
Zur Erzielung einer hohen Leuchtdichte und einer hohen Effizienz ist die Ausbildung eines möglichst kleinen
Leuchtfleckes und eine möglichst geringe Abschattung durch die LichtZuführung von hoher Bedeutung, wobei eine geringe Größe der Beleuchtungseinrichtung und ein geringer
mechanischer Aufwand zur exakten Positionierung von großen Vorteil sind.
Die Leuchtdichte und die Effizienz können durch den Abstand zwischen Anregungslichtquelle und Konverter, der Größe der Anregungslichtquelle und die NA des Anregungslichtes beeinflusst werden. Durch die geometrische Anordnung von Anregungslichtquelle und Konversionsmedium kann sich der Nachteil ergeben, dass die Anregungslichtquelle im Bereich des Strahlengangs, also entlang des optischen Pfades, der Sekundärstrahlung liegt, wenn die Abstrahlung des Konverters in Remission erfolgt. Dies kann zu unerwünschten Abschattungseffekten führen, da die Anregungslichtquelle und/oder die Trägervorrichtung im Strahlengang der Sekundärstrahlung liegen können.
Um diese unerwünschten Abschattungseffekte zu minimieren, kann der Abstand zwischen Anregungslichtquelle und
Konversionsmedium vergrößert werden. Eine Vergrößerung des Abstandes kann aber zu einem deutlichen Verlust an
Leuchtdichte führen, da mit größer werdenden Abstand typischerweise der Leuchtfleck vergrößert wird und die Leuchtdichte dementsprechend abnimmt.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass ein geringer
Abstand und eine geringe Abschattung erreicht werden können, wenn der Konverter um einen bestimmten Winkel in Relation zu dem optischen Pfad des Anregungslichtes gedreht wird, so dass das Anregungslicht schräg auf die Oberfläche des Konverters auftrifft und remittiertes Licht im
wesentlichen nicht auf die Anregungslichtquelle und/oder die Trägervorrichtung gerichtet ist.
Zur Erreichung einer besonders kompakten und mechanisch einfachen Bauform zur Remission von Anregungslicht, die eine besonders hohe Genauigkeit der Lage des Leuchtflecks ermöglicht, können in einer besonderen Ausführungsform die Anregungslichtquelle und der Konverter auf einer gemeinsamen Trägervorrichtung angeordnet sein, wobei der Konverter schräg zu dem optischen Pfad des Anregungslichtes ausgerichtet sein kann. Besonders gute Erfahrungen wurden gemacht bei einem Winkel zwischen dem optischen Pfad des Anregungslichtes und einer Normalen zu der Oberfläche des Konversionsmediums in einem Bereich von 30° bis 75°.
Unter einem Konversionsmedium des Konverters wird im Sinne der Erfindung ein Material zur optischen Konversion
verstanden. Derartige Materialien enthalten typischerweise Leuchtstoffe, welche als optisch aktive Medien die
Konversion bewirken.
Das Konversionsmedium kann Anregungslicht in langwelligeres Licht derart konvertieren, dass ein Anteil des
Anregungslichtes in langwelliges, gelbes Licht konvertiert wird und ein weiterer Anteil als blaues Licht gestreut und/oder reflektiert wird. Ein erster Anteil des
Anregungslichtes kann demnach in einen gelben
Spektralbereich konvertiert werden.
Weiterhin kann ein Anteil im grünen Spektralbereich des konvertierten gelben Lichtes herausgefiltert werden, um auf diese Weise einen weißen Farbort des remittierten Lichtes im Fernbereich zu erhalten, wenn die Farbgerade zwischen dem Farbort des Anregungslicht und Farbort des
konvertierten Lichts nicht den gewünschten Weiss-Farbort schneidet, sondern in CIE-y nach oben abweicht. Falls die Farbgerade unterhalb dieses Bereiches liegt, somit also der CIE-y zu gering ist, kann auch ein Rotanteil ausgefiltert werden . Das Konversionsmedium kann dabei zur Erzeugung von
Weißlicht im Fernbereich vorteilhaft derart ausgebildet sein, dass es besonders gut für eine Remission
elektromagnetischer Strahlung im blauen und/oder
ultravioletten Spektralbereich geeignet ist.
Als ein geeignetes Material für das Konversionsmedium hat sich ein optokeramisches Material mit eingelagerter
Kornstruktur für eine Verwendung von Anregungslicht im blauen Spektralbereich erwiesen.
Besonders bevorzugt umfasst das Konversionsmedium ein niedrig dotiertes, insbesondere mit weniger als 0,2 Gew.-% dotiertes Ce : YAG Phosphor-Material. Eine geringe Dotierung ist vorteilhaft im Hinblick auf eine Vermeidung von
Konzentrations-Quenching .
Die Verwendung eines Gadolinium-freien optokeramischen Konversionsmediums kann zudem vorteilhaft aufgrund der vergleichsweise hohen Wärmebeständigkeit sein.
Besonders bevorzugt kann ein optokeramisches Material aus Ce : YAG mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 5 W/ (m*K) verwendet werden, um besonders hohe Leuchtdichten zu erreichen. So können derartige Konversionsmedien beispielsweise bei Temperaturen bis über 200°C ohne
Beeinträchtigung der Konversionseigenschaften bzw. ohne Schädigung verwendet werden.
Als weiterhin geeignete Materialien haben sich Phosphor- Materialien auf der Basis von Ce : AG und/oder Ce : LuAG herausgestellt . Die Befestigung der Anregungslichtquelle und des Konverters auf einer gemeinsamen Trägervorrichtung kann von großem Vorteil sein im Hinblick auf eine hochgenaue Positionierung beider Bauteile zueinander und der Realisierung einer sehr kompakten Bauform sein.
Die Trägervorrichtung und/oder die Halterung zum Befestigen des Konverters können bevorzugt für eine gute
Wärmeableitung ausgebildet sein. Hierzu können die
Trägervorrichtung und/oder die Halterung beispielsweise Kühlrippen aufweisen. Sie können aber auch thermisch an einen Kühlkörper angebunden sein. In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform kann die
Anregungslichtquelle einen optischen Lichtleiter mit einer räumlich separierten Anregungslichtquelle umfassen. So kann eine defekte Anregungslichtquelle einfach ausgetauscht werden, ohne dass die Beleuchtungseinrichtung demontiert werden muss.
Aufgrund der kompakten Bauform kann die
Beleuchtungseinrichtung auch drehbar oder beweglich in einem oder mehreren Freiheitsgraden eingebaut werden, um eine Veränderung der Beleuchtungsrichtung, beispielsweise für ein adaptives Licht, zu bewirken.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann ein optisches Element zur Fokussierung im Strahlengang zwischen der
Anregungslichtquelle und dem Konverter angeordnet sein. Hierdurch kann das Anregungslicht auf den Konverter
fokussiert werden, wodurch ein besonders kleiner Leuchtfleck erzeugt und die Leuchtdichte verbessert werden kann. Für eine optimale Konvertierung kann so der Fokus des Anregungslichtes innerhalb des Konversionsmediums liegen. Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft weiter einen Scheinwerfer zur Beleuchtung, welcher eine
erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung und einen
Reflektor umfasst. Dabei ist die Beleuchtungsvorrichtung derart ausgebildet, dass der Leuchtfleck im Arbeitspunkt des Reflektors angeordnet ist.
Ebenso kann die Beleuchtungseinrichtung auch für einen Projektor verwendet werden, wobei der Leuchtfleck im
Arbeitspunkt eines Linsensystems des Projektors angeordnet sein kann.
Ferner betrifft die Erfindung einen Scheinwerfer für eine Verwendung in Fahrzeugen, welcher eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung umfasst. Hierzu kann der Reflektor als Scheinwerfer ausgebildet sein bzw. der Scheinwerfer eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung derart umfassen, dass der Leuchtfleck des Konverters im
Arbeitspunkt des Scheinwerferreflektors liegt. Bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen
Beleuchtungseinrichtung für einen Scheinwerfer ist der Konverter entsprechend den Vorgaben und Richtlinien, betreffend Weißlicht für Fahrzeuge, auszuwählen. Für
Fahrzeugscheinwerfer ist dies beispielsweise in
entsprechenden ECE-Regelungen und CIE-Normen festgelegt. Um tagesähnliche Lichtfarben zu erreichen, kann ein Farbort im Bereich von 5500 K bis 6500 K günstig sein. Hierzu kann ein Konversionsmedium ausgewählt werden, welches in
Abhängigkeit des Strahlungsspektrums das Anregungslicht in eine Sekundärstrahlung mit einer einem weißen Farbort entsprechende Strahlungscharakteristik konvertiert.
Kohärentes blaues Licht aus einer Laserlichtquelle birgt eine nicht unwesentliche Gefahr für einen Betrachter, wenn er direkt in das Anregungslicht blickt. So besteht
beispielsweise diese Gefahr, wenn sich der Konverter löst und dadurch Anregungslicht direkt ausgekoppelt wird und in die Umgebung gelangt.
Zur Vermeidung eines unkontrolliert austretenden
Anregungslichtes kann der Reflektor daher mit einer
sogenannten Strahlfalle ausgebildet sein und beispielsweise eine Öffnung umfassen, durch die im Falle einer
Beeinträchtigung des optischen Systems das Anregungslicht ausgeleitet werden kann, ohne in die Umgebung zu gelangen. Die Beeinträchtigung der Effizienz des Reflektors kann minimiert werden, wenn die Anregungslichtquelle
Anregungslicht mit einer kleinen Apertur emittiert und die Öffnung im Reflektor dadurch sehr klein gehalten werden kann .
Weiterhin kann auch der Konverter auf seiner rückseitigen, dem Anregungslicht abgewandten Fläche ballig poliert sein und/oder von einer hohlspiegelartigen Halterung umgeben sein, so dass bei einem Defekt oder Abfall des Konverters das Anregungslicht wieder auf die Anregungslichtquelle reflektiert wird. Im allgemeinen betrifft die Erfindung
Beleuchtungseinrichtungen, bei denen ein Betrachter in einem Nahbereich einen ersten farblichen, optischen
Eindruck erhält, wohingegen im Fernbereich ein homogener Farbeindruck, insbesondere ein homogenes Weißlicht, erzeugt wird .
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele und den angefügten Ansprüchen.
Die Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine schematische Seitenansicht der
Beleuchtungseinrichtung,
Figur 2 eine schematische Draufsicht auf eine
Trägervorrichtung,
Figur 3 eine Sicht auf ein schräg angeordnetes
Konversionsmedium mit einer Beschichtung,
Figur 4 eine schematische Anordnung einer
Beleuchtungseinrichtung und eines Reflektors, Figur 5 eine weitere schematische Anordnung einer
Beleuchtungseinrichtung und eines Reflektors, Figur 6 eine schematische Anordnung einer
Beleuchtungseinrichtung mit einer Strahlfalle, Figur 7 eine weitere schematische Anordnung einer
Beleuchtungseinrichtung mit einer Strahlfalle und
Figur 8 ein Ausführungsbeispiel, das die Einstellung
eines Weißfeld-nahen Punktes im Farbspektrum- Diagramm ermöglicht. Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen bezeichnen um der Klarheit willen gleiche Bezugszeichen im Wesentlichen gleiche Teile in oder an diesen Ausführungsformen. Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer
erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung im Querschnitt. Die Anregungslichtquelle umfasst einen optischen
Lichtleiter, der als faseroptischer Lichtleiter 14
ausgebildet ist und in den elektromagnetische Strahlung einer Anregungslichtquelle 18 eingekoppelt wird. Der
Lichtleiter 14 emittiert eingekoppelte elektromagnetische Strahlung als Anregungslicht an seinem einen Ende 15 in Richtung auf einen Konverter 11. Die Trägervorrichtung 10 ist im Bereich der Befestigung des Konverters 11 mit einer Verspiegelung 12 versehen. Dies kann beispielsweise eine Beschichtung der entsprechenden Kontaktfläche 17 sein. Des Weiteren kann die Halterung auch mit einem Spiegel oder einem metallischen Spiegel
ausgebildet sein.
Ein Niederhalter 13 dient der Fixierung des zumindest einen optischen Lichtleiters 14. Eine Zugentlastung (nicht dargestellt) kann zur Sicherung des faseroptischen
Lichtleiters vorgesehen sein. Besonders günstig ist der Niederhalter 13 sehr flach ausgebildet, um die Abschattung zu minimieren. Ein
Niederhalter 13 ist nicht zwingend vorgeschrieben;
beispielsweise kann der optische Lichtleiter 14 auch in oder auf die Trägervorrichtung geklebt werden.
Figur 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine
Trägervorrichtung 10, umfassend einen Konverter 11.
Insgesamt drei Nuten bzw. Rillen 20 sind vorgesehen, um faseroptische Lichtleiter (nicht dargestellt) als
Anregungslichtquelle aufzunehmen. Besonders günstig sind die Nuten bzw. Rillen 20 als sogenannte V-Grooves
ausgebildet, welche eine sehr gute Aufnahme von
faseroptischen Lichtleitern ermöglichen, ohne diese zu schädigen. Das Vorhandensein von drei Aufnahmemöglichkeiten für Lichtleiter stellt eine mögliche Ausführungsform dar, ist aber nicht zwingend für eine erfindungsgemäße
Beleuchtungseinrichtung. Vielmehr richtet sich die Anzahl der optischen Lichtleiter nach den Erfordernissen der bestimmten Verwendung, beispielsweise nach zu erreichenden Leuchtdichte oder der zu tolerierenden Temperatur der Anregungslichtquelle .
Das Anregungslicht der Anregungslichtquellen trifft besonders vorteilhaft an einem gemeinsamen Punkt auf den Konverter 11 auf, der den Leuchtfleck 22 darstellt. Zur Erreichung einer hohen Effizienz und/oder einer hohen
Leuchtdichte ist der Leuchtfleck 22 möglichst klein zu halten .
Die Trägervorrichtung 10 ist weiterhin mit Öffnungen und/oder Bohrungen 21 ausgebildet zur Befestigung mit weiteren Gegenständen wie beispielsweise einem Reflektor (nicht dargestellt) . Für eine hochgenaue Positionierung und/oder Orientierung der Trägervorrichtung kann diese beispielsweise mit Langlöchern 25 und Bohrungen 24 für Paßstifte ausgebildet sein.
In Figur 3 ist schematische eine Ansicht eines Konverters im Querschnitt dargestellt, wobei Anregungslicht 63 schräg auf den Konverter auftrifft.
Die Trägervorrichtung 16 ist im Bereich der Befestigung mit dem Konversionsmedium 11 mit einem breitbandig
reflektierenden Spiegel 62 ausgebildet. Dies kann auch eine breitbandig reflektierende Beschichtung der
Trägervorrichtung 16 sein. Der Konverter 11 ist auf der dem Anregungslicht zugewandten Fläche mit einer als
Bandstopfilter wirkenden Schicht 61 ausgebildet, die einen bestimmten Anteil im konvertierten gelben Licht
reflektiert, so dass die konvertierte Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich gefiltert werden kann
Der reflektierte oder zurückgestreute blaue Spektralanteil und der konvertierte, gefilterte gelbe Spektralanteil ergeben in ihrer Mischung weißes Beleuchtungslicht Diese Schicht 61 kann zusätzlich auch mit einem AR-Coating ausgebildet sein, um eine Reflektion von Anregungslicht und/oder konvertierten Licht zu reduzieren und auf diese Weise die Effizienz der Konvertierung zu verbessern. Die Ausbreitungsrichtung 72 des vom Konversionsmediums 11 konvertierten gelben Lichtes entspricht näherungsweise einem Lambert ' sehen Strahler, während reflektiertes oder gestreutes blaues oder ultraviolettes Licht näherungsweise in eine bestimmte Strahlrichtung 64 ausgesendet wird.
Figur 4 zeigt eine schematische Anordnung einer
erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung innerhalb eines Reflektors 71. Das Konversionsmedium 11 ist im
Arbeitsbereich des Reflektors 71 angeordnet, wobei der Reflektor 71 in Beleuchtungsrichtung des Konverters 11 angeordnet ist. Der Reflektor 71 ist als parabolischer Halb-Hohlspiegel ausgebildet. Der Konverter 11 ist schräg zum Anregungslicht 63 angeordnet.
Der Strahlkegel des reflektierten oder gestreuten blauen Lichtes ist durch seine äußere Begrenzung 81, 82 bestimmt. Das blaue Licht wird am Reflektor reflektiert und tritt im Wesentlichen kollimiert aus dem Reflektor aus. Die
Strahlengänge 83, 84 zeigen die äußeren Begrenzungen des blauen, kollimierten Lichtes der abgebildeten
Ausführungsform. Eine optische Einrichtung 85 ist im
Strahlengang des Reflektors ausgebildet. Die optische
Einrichtung 85 kann beispielsweise als Abdeckung des
Reflektors ausgebildet sein.
Diese kann eine Fresnel-Oberfläche oder eine raue
Grenzfläche aufweisen, um eine diffuse Streuung des Lichtes zu ermöglichen.
Eine Sicht auf die optische Einrichtung in Richtung zum Reflektor 71 zeigt 91. Bei der abgebildeten Ausführungsform sieht ein von außen auf die optische Einrichtung schauender Betrachter im Nahbereich eine annähernd homogene, erste Fläche 93, welche gelblich oder weiß erscheinen kann, sowie eine räumlich separierte zweite Fläche 92, welche im wesentlichen blau erscheint und kreisförmig ausgebildet ist. Die zweite Fläche 92 wirkt auf einen Betrachter im Nahbereich blau.
Auf diese Weise kann für einen Betrachter im Nahbereich ein optische Farbeindruck bewirkt werden, der einer sogenannten "Laser-Pupille" entsprechen kann. Im Fernbereich kann eine derartige Beleuchtungseinrichtung hingegen ein Weißlicht erzeugen.
In Figur 5 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform gezeigt, bei der Anregungslicht 63 senkrecht auf die
Oberfläche des Konversionsmediums 11 auftrifft. Die
Anregungslichtquelle liegt demnach im Strahlengang der vom Konversionsmedium remittierten Strahlung, wodurch eine Abschattung erfolgt. Der Reflektor ist als parabolischer Hohlspiegel 86 ausgebildet. Ein von außen auf den Reflektor 86 schauender Betrachter kann im Nahbereich eine annähernd homogene, erste Fläche 93, welche gelblich oder weiß erscheinen kann, sowie eine räumlich separierte zweite Fläche 92, welche im
wesentlichen blau erscheint, erkennen. Die zweite Fläche 92 wirkt auf einen Betrachter im Nahbereich blau. Aufgrund des senkrechten Auftreffens des Anregungslichtes 63 auf das Konversionsmediums 11 liegt die zweite Fläche 92 im Zentrum der beleuchteten Fläche 91. Aufgrund der Abschattung ist eine zentrale dritte Fläche 94 erkennbar, welche im
Nahbereich deutlich schwächer beleuchtet ist, also eine geringere Helligkeit aufweist. Auf diese Weise kann beispielsweise ein sogenannter
"Engelsauge"-Effekt für einen Betrachter im Nahbereich erzeugt werden. Im Fernbereich kann eine derartige
Beleuchtungseinrichtung hingegen ein Weißlicht erzeugen.
In Figur 6 ist eine Weiterbildung der Erfindung, umfassend eine optische Linse 101 zum Fokussieren des
Anregungslichtes 63 auf eine Fläche des Konversionsmediums 11 schematisch gezeigt. Schematisch abgebildet ist
weiterhin eine Strahlfalle 102, welche als Hohlspiegel auf der der Anregungslichtquelle abgewandten Seite des
Konversionsmediums vorgesehen ist. Bei einem Defekt oder Abfallen des Konversionsmediums kann auf diese Weise das für die Umgebung schädliche reflektierte oder gestreute blaue Licht in Richtung der Anregungslichtquelle
zurückreflektiert werden.
Figur 7 zeigt eine nochmalige Weiterbildung der Erfindung, bei der eine Strahlfalle 102 außerhalb eines Reflektors 71 an einer Stelle vorgesehen ist, auf die reflektiertes oder gestreutes blaues Licht fällt im Falle eines Abfallens des Konversionsmediums 11.
Anhand der Figur 8 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel beschreiben, das die Einstellung eines Weißfeld-nahen
Punktes im Farbspektrum-Diagramm ermöglicht. Für den
Remissionsbetrieb sei der Konverter 11 mit einem Spiegel 31 versehen. Um auf der Konversionsgeraden im Farbspektrum- Diagramm in die Nähe des Weißfeldes zu gelangen, wird der Konverter 11 hinsichtlich seiner Streueigenschaften so ausgewählt, dass 20% des blauen Anregungslichtes remittiert und 80% absorbiert werden. Für den Transmissionsbetrieb wird der Konverter 11 so ausgewählt, dass 20% des blauen Anregungslichtes nach
Durchdringen des Konverters auf einer der Eintrittsseite gegenüberliegenden Seite abgestrahlt wird.
Der absorbierte Anteil des Anregungslichtes wird zum großen Teil in gelbes Licht konvertiert und entweder direkt oder nach Reflexion am Spiegel 31 als Streukeule 51 emittiert.
Das blau remittierte Licht setzt sich aus einem Fresnel- Reflex 40 und einer Streukeule 41 zusammen. Diese
Streukeule 41 weist eine Lambert' sehe
Abstrahlcharakteristik auf.
Eine Verschiebung des Weißfeld-nahen Punktes erfolgt nun über die Anpassung der Konverterdicke. Ist diese so gering, dass Anregungslicht am Spiegel 31 reflektiert wird und an der Oberfläche wieder austritt, so entsteht eine
zweite Streukeule 42. Diese zweite Streukeule 42 hat - je nach Konverterdicke und Streuung - eine mehr oder weniger gerichtete Abstrahlcharakteristik. Durch die Überlagerung der Streukeulen 40, 41, 42 des Anregnungslichts und der Streukeule 51 des konvertierten Lichts entsteht eine
Winkelabhängigkeit des Farbeindrucks. Die
Winkelabhängigkeit kann durch Aufrauen der
Konverteroberfläche reduziert werden.
Die Feinanpassung zum Erreichen des Weißfeld-nahen Punktes kann alternativ über den Auftrag einer dünnen Streuschicht auf der Anregungsseite des Konverters 11 erfolgen. Die Streuschicht kann zum Beispiel aus T1O2 oder undotiertem, optokeramischem Material bestehen. In beiden Fällen wird der Blauanteil gegenüber dem Gelbanteil des emittierten Lichtes erhöht.
Um in das Weißfeld des Farbspektrum-Diagramms zu gelangen, kann man das Gelblicht an Grünanteilen durch Filterung abreichern. Dies kann man zum Beispiel durch einen
dichroitischen Spiegel erreichen, der das blaue Licht reflektiert, jedoch das auftreffende grüne Licht passieren lässt, so dass dieses nicht auf der Nutzseite des
Konverters austritt.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend anhand der Figuren beschriebenen lediglich beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise im Rahmen des Gegenstandes der Patentansprüche variiert werden kann. Insbesondere können auch die Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden.

Claims

Ansprüche
1. Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung von Licht mit unterschiedlicher Abstrahlcharakteristik, umfassend - eine Anregungslichtquelle zur Abgabe von blauem
Anregungslicht,
- ein Strahlformungselement,
- einem Konverter zur Konvertierung eines Teils des Anregungs1ichtes ,
wobei das konvertierte Licht mit einer ersten
Abstrahlcharakteristik emittiert wird und das
Anregungslicht mit einer zweiten
Abstrahlcharakteristik abgestrahlt wird,
wobei durch Überlagerung des konvertierten Lichts und des vom Konverter abgestrahlten Anregungslichts im
Nahbereich ein vorgegebener Farbeindruck erzeugt wird, und
wobei das insgesamt abgestrahlte Licht im Fernbereich homogen weiß erscheint.
2. Beleuchtungseinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Abstrahlcharakteristik des Anregungslichts durch die Streueigenschaften und/oder die
Oberflächenbeschaffenheit und/oder die Dicke und/oder die Form und/oder geometrische Position der
Grenzflächen des Konverters bestimmt wird.
3. Beleuchtungseinrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die erste Abstrahlcharakteristik des konvertierten Lichts durch die Streueigenschaften und/oder die
Oberflächenbeschaffenheit und/oder die Dicke und/oder die Form und/oder geometrische Position der
Grenzflächen des Konverters bestimmt wird.
Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Strahlformungselement einen
Planspiegel und/oder einen gekrümmten Spiegel und/oder eine Linse umfasst.
Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein optisches Element in
Beleuchtungsrichtung im Nahbereich des
Strahlformungselements angeordnet ist.
Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische Element streuende
Eigenschaften aufweist.
Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei durch das optische Element ein vorbestimmter Farbeindruck erzeugt wird.
Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Farbeindruck durch Streuung im Volumen des optischen Elements bewirkt und/oder durch Streuung an einer Grenzfläche des optischen Elements erzeugt wird.
Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Farbeindruck durch eine räumliche Verteilung von Orten unterschiedlicher
Farbkoordinaten, Helligkeit und/oder
Abstrahlcharakteristik gegeben ist. Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anregungslichtquelle eine
monochromatische Lichtquelle umfasst.
Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Anregungslichtquelle einen optischen Lichtleiter umfasst.
Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Konverter Anregungslicht in langwelligeres Licht konvertiert.
Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konverter ein Ce : YAG und/oder ein Ce : AG und/oder Ce : LuAG
Phosphor-Material umfasst.
Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Trägervorrichtung zum Befestigen des Konverters und/oder der Anregungslichtquelle und/oder dem
Strahlformungselement vorgesehen ist.
Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Trägervorrichtung zumindest im Bereich der Befestigung des Konverters zur Wärmeableitung und/oder als
Wärmesenke ausgebildet ist.
Beleuchtungseinrichtung gemäß einem der vorstehe
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlfalle vorgesehen ist zum Reflektieren von reflektierten oder gestreuten blauen Licht in eine Richtung, die für die äußere Umgebung unschädlich ist.
17. Projektionseinrichtung, umfassend zumindest eine
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Konverter, insbesondere der
Leuchtfleck des Konverters, im Arbeitspunkt der
Projektionseinrichtung angeordnet ist.
18. Scheinwerfer, umfassend zumindest eine
Beleuchtungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 16, wobei der Konverter, insbesondere der Leuchtfleck des Konverters, im Arbeitspunkt des Scheinwerfers angeordnet ist.
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