WO2017029255A2 - Verfahren zur justierung eines auf einem optischen konverter erzeugten leuchtflecks, vorrichtung mit leuchtfleck und deren verwendung sowie konverter-kühlkörperverbund mit metallischer lotverbindung - Google Patents

Verfahren zur justierung eines auf einem optischen konverter erzeugten leuchtflecks, vorrichtung mit leuchtfleck und deren verwendung sowie konverter-kühlkörperverbund mit metallischer lotverbindung Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for adjusting a light spot generated on an optical converter and a device with adjusted light spot and their
  • the invention relates in a further aspect
  • Conversion module comprising an optical converter as part of a lighting device.
  • the conversion module is operated with excitation light of a light source using a fiber optic light guide.
  • the invention relates to a converter-heat sink assembly and a method for producing a converter-heat sink assembly.
  • the invention in this aspect relates to an optical converter which is connected by a metallic connection to a heat sink.
  • Headlamps is from WO 2008/000208 AI accordingly
  • useful light is composed of a longer-wavelength, converted component and a non-converted part of the excitation light.
  • useful light is composed of a longer-wavelength, converted component and a non-converted part of the excitation light.
  • From DE 10 2010 034 054 AI is a laser-based
  • White light source known in which a laser by means of a converging lens generates a light spot in a converter in order to emit white useful light in transmission operation. To avoid high temperatures at the light spot is the
  • US 2008/0075406 A1 shows an optical component with a converter, a light guide leading to it, a holder of the light guides and a cap for fixing the converter to the holder.
  • the cap and the holder are made of material with high thermal conductivity, as possible Dissipate heat from the converter which is in the
  • Headlamp reflectors are known from US 2011/0148280 AI, US 2011/0279007 AI, US 2011/0280033 AI, US 2012/0106178 AI, US 2012/0106183 AI and US 2012/0069593 AI.
  • the converter material is arranged as a block in the focus of the paraboloidal headlamp mirror, with a transparent plate extending across the parabolic mirror for mounting the converter (US 2011/0148280 AI, US 2011/0279007 AI, US 2011/0280033 AI, US 2012 / 0069593 AI), or it will be a support wall along the axis of the
  • the quality of the exit surface of the fiber is also important in a fiber optic conversion light source.
  • various methods are generally known.
  • Fiber longitudinal axis run.
  • the production of a fiber end with an exit surface for the guided in the fiber light by means of laser radiation is disclosed for example in WO 02/34452 AI.
  • By separating fiber material results in a
  • British patent application GB 2 399 652 A describes the production of a faceted fiber end with a
  • the adjustment of their optical assemblies is of increasing importance, because it should not unnecessarily diminish the available useful light component, which is emitted by the pig launcher supporting this module. Consequently, the conversion light emitted by the fiber should be correctly converted as far as possible within the optical converter, both spectrally and spatially, and subsequently usually emitted within a single usable light cone.
  • the adjustment of the light emerging from the fiber conversion light on the optical converter is of particular importance.
  • the conversion light emerging from the fiber produces a spot on the optical
  • the invention is based on the object at a
  • the invention is in a further aspect of the object to provide a fiber optic conversion module comprising an optical converter, simple structure, which is suitable as a mounting part in a lighting device between an excitation light source and a headlight for emitting useful light and allows good heat dissipation.
  • the conversion module should be able to be operated for cost reasons only with a single fiber.
  • Shading, in particular by the supplied fiber should be as low as possible.
  • a simple and rapid installation of the conversion module on the one hand and as a whole in the utility device, such as the lighting device be given to allow a cost-effective production and assembly. Consequently, the conversion module should also be easy to maintain, so it should be easy to replace in case of damage. A fine adjustment should still be possible after installation.
  • Laser light be given as excitation light in lighting devices. It is in yet another aspect an object of the invention to provide a converter-heatsink assembly
  • the heat sink and the converter are connected to one another such that the connection between the converter and the heat sink is preferably high
  • the object of the invention is therefore to provide a method for producing a corresponding
  • An advantage of the method is also that in particularly preferred embodiments, the final product can already be available after the adjustment, without any further influencing the adjustment
  • Manufacturing steps such as holding the fiber or the optical converter are required.
  • Manufacturing steps such as holding the fiber or the optical converter are required.
  • At least one light guide emerging light on an optical converter the light guide comprises a light-conducting fiber and the normal of the exit surface of the fiber has an angle different from 0 ° relative to
  • this angle may also be oblique to the horizontal and a freely selectable lateral correction of the position of the light spot for adjustment
  • the change in the inclination of the exit surface of the fiber then leads to a wandering of the luminous spot from its actual position to the desired desired position.
  • Useful light can be influenced and optimized. As a result, for example, losses of the useful light by
  • Shadowing be reduced.
  • Exit surface of the fiber is initially set at a predefined angle, which is substantially the
  • Adjusted angle corresponds, and then set the fiber only in the holder.
  • the position of the light spot can be detected prior to its adjustment, for example in the form of the correct desired position according to design specifications and checked after its adjustment on the optical converter, for example, with imaging manufacturing equipment. Resulting specimens with excessive deviations from the correctly adjusted position can then with the method which has been described above as a particularly preferred embodiment,
  • the exit surface of the fiber during adjustment, in particular material removal in such a way
  • processing with optical means for example laser radiation
  • the fiber material evaporating then generally entails less contamination of the further assemblies, in particular if a sufficient deduction of the removed matter is taken care of.
  • a material application can change the angle, for example by sticking a prism, which can also be edited if this does not immediately lead to correct adjustment.
  • Both the photoconductive core of the fiber and its cladding structures are advantageously processed in the material-removing machining, which with appropriate intensity of the laser light and appropriate wavelength and sufficient deduction of the ablated and at least
  • sheath structures in this context and in this description includes both the outer sheath structures, which are also referred to as cladding and the
  • Step waveguides surround the photoconductive fiber core and have a different refractive index than the photoconductive fiber core.
  • inner mantle and core there is no need for further differentiation of the terms inner mantle and core at this point, since in the case of
  • Output surface of the fiber adjusted relative to the optical converter, wherein the distance of the fiber to the optical converter denotes the distance of the exit point of the main beam from the fiber to the optical converter. Since the light emerging from the fiber has a defined
  • Opening angle has, which corresponds to the effective numerical aperture substantially, which is determined by the coupling, the ability of the fiber light and their exit aperture and thereby selectable, with the adjustment of the distance and the size of the light spot on the optical converter can be changed be adjusted herewith.
  • the exit surface of the fiber is machined during the adjustment, in particular using laser light material removal that results in a flat, extending at an adjusted angle surface.
  • the exit surface of the fiber can be machined during the adjustment, in particular using laser light, in such a way that a non-planar, in particular curved exit surface of the fiber results. This can be, for example, at
  • a focus may be on the surface or at least in the vicinity of the surface of the optical surface
  • the exit surface of the fiber during the adjustment in particular using
  • Laser light material abtragend initially be edited so that initially a flat, adjusted under a correct adjustment accordingly
  • Angle extending surface yields and then by further material-removing machining, especially with laser light, a non-planar shaping, in particular curvature in the exit surface of the fiber are generated, whereby the proportion of emerging from the converter Nutzlichtes can be increased.
  • This method sequence described above can also be performed by measuring the light emerging from the converter, for example by means of imaging production methods
  • non-planar for example cylindrical, spherical, aspherical and also free
  • the shape of the exit surface can thus after a
  • predefined machining geometry arise or even with feedback by measuring the actual
  • the optical and geometrical properties of the converter actually used and the fiber actually used also result in a significantly optimized useful light component, since the adjustment not only with respect to the position of the luminous spot but also with respect to a total improved
  • Both the fiber in the holder and the optical converter are advantageously arranged before and after the adjustment in a monolithic body and is already defined in this arrangement, the final or finished position of these components.
  • Thermal conductivity and complex geometries can be produced in a precise manner.
  • the monolithic body is its thermal conductivity ⁇ together with a heat sink greater than 200 W / (m * K) and preferably greater than 350
  • Converter a size of 0.5 ym to 800 ym, preferably a size of 1 ym to 500 ym and most preferably a size of 5 ym to 300 ym on.
  • ellipsoidal spot shapes those given above for the diameter apply
  • the lateral deviation of the position of the luminous spot on the optical converter is less than 200 ⁇ m, preferably less than 150 ⁇ m and particularly preferably less than 100 ⁇ m. This can, if that
  • fiber optic conversion module is used in other modules or attached to this, as a rule, further adjustments when inserting or attaching to the other modules are avoided when
  • Deviation of the distance of the exit surface of the fiber to the surface of the optical converter after the adjustment advantageously less than 500 ym, preferably less than 250 ym, and more preferably less than 100 ym.
  • emissive light is between 200 ym and 2500 ym, preferably between 400 ym and 1500 ym, more preferably between 1500 and 800 ym and most preferably between 600 ym and 1200 ym.
  • the angle may be about 10 ° to 30 °, preferably about 15 ° to 25 °, more preferably about 18 ° to 22 ° after its adjustment.
  • the diameter of the photoconductive core of the fiber is about 3 ym to 1500 ym, preferably about 3.5 ym to 1000 ym, and most preferably about 50 ym to 150 ym.
  • Luminous spot is created, and has the normal of the
  • Exit surface of the fiber at a different angle from 0 ° relative to the longitudinal axis of the fiber, preferably also by adjusting the angle, the position of the
  • this device may comprise a light trap for reflected light emerging from the fiber, which, for example, even under heavy mechanical load, For example, in a stress exerted by an accident safely ensures that no reflected excitation light, such as laser light, from the
  • damaged fiber optic conversion module can occur. This can also be at a destruction of the optical
  • Converter can then be guaranteed safe, if the monolithic body is dimensioned accordingly and thereby can safely absorb the forces then occurring.
  • a further preferred device comprises more than one optical waveguide, from which light emerges and in each case strikes, at least to a substantial extent, an optical converter, on which in each case one passes
  • Luminous spot is created, and has the normal of the
  • Seen within the light intensity of the respective light spots each higher than 50% of the maximum intensity of the emitted light from the respective optical fiber and incident on the optical converter light.
  • Headlamps of air, water or land vehicles are also for headlights, such as for Headlamps of air, water or land vehicles.
  • Emission center of the fiber optic conversion module which is associated with the correctly adjusted position of the light spot, such headlights from the
  • fiber optic converter provided useful light forward very defined and thereby very defined
  • Contrast generated because a very small but intense light source can be provided with high precision in the place provided by the optical design.
  • high contrast images can be generated because a very small but still intense light source is provided which supports optical correction of the imaging systems with higher precision.
  • the object is to provide a fiber optic conversion module of simple construction, which is a mounting part in a
  • Lighting device between an excitation light source and a headlight for emitting useful light and allows good heat dissipation solved by a fiber optic conversion module as part of a lighting device, the useful light mixed
  • the conversion module includes:
  • Beam direction is set up, and where
  • the carrier element is set up to hold a converter
  • the converter is in the beam direction of emerging from the light exit end of the light guide excitation light, and is arranged inclined to the beam direction of the excitation light, wherein
  • Light emission end of the light guide is given, and wherein
  • the converter of the conversion of the short-wave excitation light into the longer-wavelength one Conversion light and the emission of the mixed useful light is used.
  • the light guide or the fiber optic light guide can be provided with a plug light entry end to
  • the decoupling head ensures that the
  • the coupling head comprises a receptacle for holding and fixing the
  • Light emission end of the optical fiber Furthermore, it is designed to be firmly connected to the carrier element.
  • the shorter-wavelength excitation light penetrates the converter for the most part, where it becomes longer-wavelength
  • Fresnel reflex reflected excitation light
  • the groove Zlicht is delivered to a parabolic mirror.
  • the useful light spreads in a range of a usable radiation angle of the
  • the useful light is radiated cone-shaped from the light spot.
  • the resulting opening angle of the light cone is at least 50 °, preferably at least 60 ° and particularly preferably at least 70 °.
  • a support element is provided for supporting the converter.
  • the carrier element with the converter is in a preferred embodiment structurally separate from the coupling head. For mounting the conversion module, the carrier element and / or the coupling head are such
  • Auskoppelkopf have suitable means for a fixed connection, such as a recess and an exact fit
  • the coupling head in a preferred embodiment
  • the coupling head can be joined with low pressure.
  • the separation into a carrier element, which comprises and supports the converter, as well as a decoupling head, which is designed for holding and fixing the optical fiber, offers several advantages, in particular over solutions in which the holder of the optical fiber and the
  • Carrier element are connected.
  • the support element and / or the decoupling head can therefore already be part of a lighting device or as part of a
  • Optical fibers can also, for example, due to a fraction of the optical fiber after installation in the
  • temperature-stable sintered material such as a metallic sintered material
  • Such material generally behaves uncritically at high levels Temperature loads, as in the operation of the
  • Luminous characteristic due to changed distance between the light guide and converter due to thermal expansion can be largely avoided.
  • the support member may also be in the as a receptacle of the
  • the support member may also include a heat sink for receiving the converter in heat-conducting and mechanically fixed connection.
  • the carrier element is thus designed so that the heat generated in the converter on the
  • Support element can be removed and dissipated. Due to the structural separation, the heat transfer to the coupling head and / or the optical fiber can be reduced, so that there is less danger that the
  • Optical fiber in operation takes damage.
  • Be provided light exit ends which may also depend on the specific arrangement of the individual optical fiber. This makes the production comparatively
  • the coupling head is provided with a bore through which the optical fiber
  • Auskoppelkopf an insert part, preferably a sleeve, in which the light exit end of the optical fiber can be fixed and held.
  • the inner diameter of the sleeve is precisely matched to the outer diameter of the optical fiber designed, preferably also with very low tolerance, to ensure precise positioning of
  • the inner diameter of the insert element is based on the outer diameter of the insert element
  • Matched light guide and can be in a range of 0.1 mm to 0.5 mm, with a maximum deviation of at most +/- 0.1 mm, preferably at most +/- 0.05 mm and more preferably at most +/- 0 , 02 mm.
  • the insert element should also have a minimum length to a corresponding kinkless, paraxial
  • the light exit end is preferably formed with a plane polished surface perpendicular to the longitudinal axis to couple out the excitation light in the beam direction. This way you can get a very good radial
  • means are further provided to allow subsequent axial alignment of the light exit end of the optical fiber with respect to the converter.
  • the insert element can be firmly connected to the light exit end, about medium terminals or gluing, and then inserted into the coupling head. After assembly, it can be moved in the axial direction before it is fixed, such as by means of
  • the end of the optical fiber can be moved axially in the insert element.
  • Auskoppelkopf already with a reflector or as a part a reflector formed in this embodiment, it comprises a feed for the light guide and an opening in which the converter of the carrier element is arranged. Exiting from the light guide etendes excitation light can then impinge after installation af the converter.
  • the object of providing a converter-heat sink assembly is achieved with a method for producing a converter-heat sink assembly with an optical converter for at least partially converting light of a first wavelength into light of a second wavelength, and a heat sink, in which preferably at least parts of the surface of the optical converter are coated directly with a metal-containing coating, wherein the metal-containing coating can dissipate the heat from the converter into the heat sink, the heat sink via a metallic solder connection with the optical body,
  • the first and second solder joints becomes excellent Provided thermal conductivity, because the metallic solder joint has an at least opposite to the
  • the assembly with the converter-heat sink assembly can be heated to a temperature greater than Ts2 but lower than Tsl, whereby the converter-heat sink assembly is now repositionable and in the repositioned and thus better adjusted position by cooling at least the second solder joint below Ts2 be mechanically fixed.
  • the second solder connection comprises a solder which has a lower melting point Ts2 than the melting point Tsl of the solder of the first solder connection.
  • the first solder joint is first prepared, preferably at a temperature of greater than or equal to Tsl, and then the second solder joint is produced.
  • the second solder joint can also be produced during cooling directly after the first solder joint, if
  • a particularly stress-free converter-heatsink composite arises when for the production of the respective
  • Minimum residence time of the arrangement of at least one optical converter and at least one heat sink in the oven allows the setting of a temperature equilibrium. At this temperature equilibrium, the
  • Heatsink, the solders and the other modules differ by less than 5 K. Due to the thermal stress particularly free arrangement, it results in a favorable even under thermal stress
  • heating of the arrangement with at least one optical converter and at least one heat sink in particular also by local heating, in particular by a heating element, may be preferred
  • thermally controlled heating element thus by contact with a heated body, such as a heated monolithic body of a fiber optic Auskoppelkopfes, which already carries prepositioned modules and, for example, itself is heated inductively.
  • a heated body such as a heated monolithic body of a fiber optic Auskoppelkopfes, which already carries prepositioned modules and, for example, itself is heated inductively.
  • Laser radiation in particular pulsed laser radiation done. If for the preparation of the respective solder joint a
  • Room temperature should be about 300 K.
  • the melting point Tsl at 250 ° C to 450 ° C, preferably at 280 ° C to 320 ° C and especially
  • the first solder joint can be separated from the at least one heat sink at least a part which at least one optical
  • Converter carries and forms a converter-heat sink assembly with this and this are supplied to the further manufacturing.
  • the separation along a predefined and mechanically weakened line can be made within the heat sink.
  • a converter-heat sink assembly in particular as described above and below in more detail, on a
  • Coupling head of a fiber optic conversion module fastened.
  • At least a portion of a plurality of optical converters are brought to a temperature lower than Tsl but higher than Ts2, and preferably the position of the composite of optical converter and heat sink relative to further assemblies, in particular relative to assemblies a decoupling head of a fiber optic
  • a binning ie a selection
  • further mechanical adjustments can be made.
  • One of these adjustments can be the adjustment of the distance of the optical converter, for example to fibers, from which excitation light emerges.
  • the distance of the optical converter for example to fibers, from which excitation light emerges.
  • the invention also provides a converter-heat sink network, comprising an optical converter for the at least partial conversion of light of a first wavelength into light of a second
  • Wavelength preferably a metal-containing
  • the metal-containing coating can derive the heat from the converter in the heat sink, the heat sink via a metallic solder connection to the optical body, in particular the metal-containing
  • Solder include solder, which has a lower melting point Ts2 than the melting point Tsl of the solder of the first solder joint, in particular also to the
  • the first solder is an Ag / Au solder and thus can preferably provide an alloy comprising silver and gold.
  • the second solder is Ag / Sn and thus can preferably provide an alloy comprising silver and tin.
  • the heat sink steel, aluminum, copper and / or bronze alloys, which with
  • Figure 1 is a schematic representation of modules of a
  • Figure 2 is a schematic representation of under different
  • FIG. 4 shows the basic illustration of FIG
  • FIG. 5 shows an optical fiber arranged in its holder, in which, despite removal of its outer, also referred to as cladding
  • Fiber sheaths contamination remains left on the fiber
  • Components of the fiber were machined and the exit surface of the fiber was set at an angle
  • FIG. 8 shows another optical fiber arranged in its holder, in which case without removal of its outer fiber sheaths by means of laser light
  • Components of the fiber were machined and the exit surface of the fiber was set at an angle
  • FIG. 9 shows a three-dimensional plan view of the fiber-optic coupling-out head of a fiber-optic conversion module of a first embodiment, seen obliquely from above,
  • Figure 10 is a horizontally extending, three-dimensional
  • Figure 11 is a plan view of a three-dimensional
  • Figure 12 is a three-dimensional plan view of the coupling head of a fiber optic
  • FIG. 13 shows a three-dimensional plan view
  • FIG. 14 is a photograph of the fiber optic coupling-out head shown in FIG. 11, in which it is held in a test arrangement viewed obliquely from the top
  • FIG. 15 is a photograph of the fiber optic coupling-out head shown in FIG. 11, in which it is held in a test arrangement. seen diagonally from the front
  • FIG. 16 shows a typical brightness distribution of
  • Luminous spots on the optical converter such as these by the emerging from the fiber and incident on the optical converter light in the above and below shown Embodiments arise, along with a length scale,
  • FIG. 17 is a top view, seen in three dimensions, of the coupling-out head of a fiber-optic conversion module of a third embodiment, viewed obliquely from above,
  • Figure 18 is a horizontally extending, three-dimensional
  • Fiber of the fiber optic conversion module is running
  • Figure 19 is a plan view of a three-dimensional
  • FIG. 20 is a top view of the fiber optic coupling head of a fiber optic conversion module of a fourth embodiment viewed obliquely from above,
  • Figure 21 is a horizontally extending, two-dimensional
  • FIG. 22 is a detailed view of that shown in FIG.
  • Figure 23 is a longitudinal section of a fiber optic
  • Figure 24 is an oblique view of a fiber optic
  • FIG. 25 shows a converter-heat sink assembly together with another assembly of a first preferred embodiment
  • FIG. 26 shows an assembly of a coupling-out head of a
  • Figure 27 is a horizontally extending, three-dimensional
  • Auskoppelkopfes a first embodiment, which through the center of the fiber optic
  • Figure 28 is a horizontally extending, three-dimensional
  • Auskoppelkopfes a second embodiment, which through the center of the fiber optic
  • Figure 29 is a horizontally extending, three-dimensional Sectional view of the shown in Figure 3
  • Auskoppelkopfes a third embodiment, which through the center of the fiber optic
  • Figure 30 is a converter-heat sink assembly in which a plurality of optical converters are mounted on at least one heat sink, so that they can be heated together with the at least one heat sink.
  • Schematic representation of assemblies of a fiber optic conversion module 1 shows, in which emerges from at least one light guide 2 light and an optical
  • excitation light 5 from a light source, not shown in the figures, for example, a laser light source, in a preferred manner a laser diode, which may be in the blue or near ultraviolet spectral range of the optical spectrum.
  • a light source not shown in the figures, for example, a laser light source
  • this light leads to excitation of the phosphors embedded therein, which emit useful light with a longer wavelength, which is typically in the yellow spectral range of the optical spectrum, which is superimposed by scattering in the optical converter part of the excitation light.
  • the proportion of the scattered excitation light can together with the through the phosphors of the optical converter
  • a white color impression of the useful light are awakened, which is defined by the choice of the phosphors and the setting of the scattering behavior of the optical converter adjustable.
  • the normal 6 of the exit face 7 of the fiber 4 has an angle different from 0 ° relative to the longitudinal axis 8 of the fiber 4.
  • the excitation light 5 propagates in the fiber 4 essentially in the direction of its longitudinal axis 8 and, when emerging from the fiber 4, defines a light lobe corresponding to the effective numerical aperture, which is clearly visible in FIGS. 21 and 22, however, in FIG 1 only with the main beam 9
  • ⁇ denotes the
  • Emigration which results from refraction of the main jet at the inclined exit surface 7.
  • This emigration ⁇ is shown with respect to an elongated longitudinal axis 8 of the fiber 4, which corresponds to the emigration relative to a main jet not changed in its propagation direction at the exit surface 7.
  • the principal ray 7 emerging from the fiber 2 undergoes a change of its direction of propagation corresponding to Snell's law of refraction and, as mentioned above, by refraction, which is also referred to below as deflection, which leads to the migration ⁇ and can be calculated as follows:
  • nmft is the refractive index of air ri fiber core the refractive index of the fiber core
  • This distance a is the geometric distance and is distinguished from the optically effective distance, which is the distance of the exit point of the main beam 9 from the
  • Fiber 4 is referred to the optical converter 3. Unless otherwise indicated in the present description and the claims in each case the optical effective distance is abbreviated to the distance, since this optically
  • a refractive index of the fiber core of 1.5 can be at a geometric distance a of 1000 ym for
  • Conversion module is surrounding medium.
  • Figure 2 is a schematic representation of incident at different angles on an optical converter 3 light beams together with shading limits of the optical
  • the useful light 11 exits the optical converter 3 within an opening cone 12, of which
  • Edge beams 13 and 14 are shown in Figure 2 for two different fiber arrangements.
  • the light-guiding optical fiber 15 has a
  • the holder of a fiber can be tilted more away from the useful light cone and have a larger opening angle without shading.
  • both the fiber 18 and its holder 20 can be tilted more away from the opening cone 12 of the useful light 11 and have a larger opening angle without shading with respect to a fiber 15 without an inclined exit surface.
  • Galvanometercanner 24 is shown with the beam paths, the light 25 of a laser, preferably a C02 ⁇ laser, on the exit surface 7 of the fiber 4 is directed.
  • Process control device 28 are forwarded by means of which both the C02 ⁇ laser 23 and the
  • Galvanometercanner 24 are controllable.
  • the shape of the exit surface 7 of the fiber 4 can be optimized. If the light spot 10 has, for example, an excessively ellipsoidal shape, the Exit surface 7 are formed cylindrical convex convex so that a more circular and less ellipsoidal spot 10 results on the converter 3.
  • the axis of symmetry of the convex cylinder-like shaped exit surface extends perpendicular to
  • exit surface 7 can then be transferred, for example, to other assemblies to be manufactured.
  • the shape of the exit surface 7 can thus arise according to a predefined machining geometry or with feedback by measuring the actual
  • the optical and geometric properties of the converter 3 actually used and the fiber 4 actually used result in a significantly optimized useful light component, since the adjustment is not only with respect to the position of the light spot 10 but also with reference to FIG to an overall improved
  • Exit surface and / or the shape of the exit surface 7 as described above changes.
  • the fiber 4 can first of all be machined in such a way that a plane is set correspondingly under a correct adjustment
  • Angle extending surface yields and then by further material-removing machining, in particular with laser light, a non-planar shaping, in particular curvature in the exit surface 7 of the fiber 4 is generated, whereby the proportion of emerging from the converter 3 Nutzlichtes is increased.
  • the distance of the exit surface 7 of the fiber 4 can be adjusted relative to the optical converter 3, wherein the distance of the fiber 4 to the optical converter 3 denotes the optically effective distance of the exit point of the main beam 9 from the fiber 4 to the optical converter 3. Since the light emerging from the fiber 4 a defined
  • Has opening angle which substantially corresponds to the effective numerical aperture which is determined by the coupling, the ability of the fiber 4 to conduct light and whose exit aperture is selectable thereby, can be changed with the adjustment of the distance and the size of the light spot 10 on the optical converter 3 and hereby also adjusted.
  • the material-removing processing is the
  • photoconductive core of the fiber 4 and preferably also their shell structures are processed.
  • FIG. 5 shows an optical fiber 5 arranged in its holder 29, in which, despite removal of its outer fiber sheaths, which are also referred to as cladding, contamination residues have remained on the inner fiber sheath surrounding the light-conducting fiber core.
  • FIG. 5 shows an optical fiber 5 arranged in its holder 29, in which, despite removal of its outer fiber sheaths, which are also referred to as cladding, contamination residues have remained on the inner fiber sheath surrounding the light-conducting fiber core.
  • FIG. 1 likewise shows an optical fiber 4 arranged in its holder 29, in which case by means of laser light
  • Components of the fiber 4 machined material and the exit surface of the fiber was adjusted at an angle.
  • Figure 8 shows another, arranged in the holder optical fiber 4, in which without removal of the outer fiber sheaths by means of laser light components of the fiber 4 were processed material removal and the
  • the fiber 4 is fixed in its holder 29, as will be described in more detail below with reference to the preferred embodiments, and will be after their
  • Luminous spots 10 on the converter 3 after adjustment already corresponds to the final position and also the final finished product this correct
  • a protective cover made of glass 31 is the optical
  • Converter 3 and the holder 29 for the fiber 4 with arranged therein fiber 4 to recognize which is arranged as an elongated sleeve in a monolithic body 32, which carries both the fiber 4 with its holder 29 and the optical converter 3.
  • a light trap 33 is also held by the monolithic body 32 and has a plug-shaped element 34 at its end to be recognized in FIG. 9, which will be described in more detail below with reference to FIG. 9.
  • the fiber 4 mechanically safe on
  • a fit is in the form of a rectangular recess 36 on the underside of the monolithic body 32
  • Auskoppelkopfes 30 passes through the center of the fiber 4 of the fiber optic conversion module.
  • Core of the fiber in this as well as all other embodiments described herein may generally be about 3 ym to 1500 ym, preferably about 3.5 ym to 1000 ym, and most preferably about 50 ym to 150 ym.
  • the light trap 33 comprises a sleeve 41 held in the monolithic body 32, which at least partially accommodates the element 34, which is inserted into the sleeve 41 in a plug-shaped manner and by a mechanical seating fit with this sleeve
  • the sleeve 40 may be blackened in its interior, roughened or with not shown in the figures
  • Light traps be provided, which can extend radially in the sleeve with a triangular profile.
  • the longitudinal or symmetry axis of the sleeve 40 is aligned with the light spot 10 of the optical converter 3 and extends at an angle which the
  • both the fiber 4 in the holder 29 and the optical converter 3 is arranged before and after the adjustment in the monolithic body 32, which preferably by a
  • powder metallurgical injection molding process in particular by a metal injection molding (MIM) method is produced and thus can provide high mechanical strength together with good thermal conductivity.
  • MIM metal injection molding
  • solder joints can provide between the optical converter 3, a heat sink 42 and the monolithic body 32 for both mechanically strong hold and good thermal conductivity, so that the temperature of the optical converter 3 is within the desired
  • Subassemblies are forwarded.
  • the thermal conductivity ⁇ of the monolithic body 32 together with the heat sink 42 is greater than 200 W / (m * K), and preferably greater than 350 W / (m * K), which provides the minimum for the optical converter 3
  • Thermal conductivity represents, as this additionally still give off heat to the surrounding medium, which is usually air.
  • the optical converter 3 may alternatively be underlaid with a mirror and provided with a diaphragm to the hem of converted yellow light, which is present in excess for white light generation.
  • optical converter 3 can in this embodiment and the other described before mounting the
  • the light of a CO 2 laser is directed onto the end of the fiber 4 in order to machine its exit surface 7 in a material-removing manner.
  • the angle after its adjustment about 10 ° to 30 °, preferably about 15 ° to 25 °, more preferably about 18 ° to 22 °.
  • Converter can in this case a size of 0.5 ym to 800 ym, preferably a size of 1 ym to 500 ym and on
  • Exit surface 7 of the fiber 4 to the optical converter 3 adjustable.
  • the exit surface 7 of the fiber to the surface on the optical converter 3 at which the maximum intensity of emerging from the fiber 4 Light is between 200 ym and 2500 ym, preferably between 400 ym and 1500 ym, more preferably between 1500 and 800 ym and most preferably between 600 ym and 1200 ym.
  • the lateral deviation of the location of the light spot on the optical converter is common to all described herein
  • Embodiments in particular after adjustment, smaller than 200 ym, preferably smaller than 150 ym and especially preferably smaller than 100 ym.
  • FIG. 11 shows a plan view of the element 34, shown in three dimensions, of the light trap 33 of one of the fiber-optic decoupling head 1 shown in FIG.
  • This element has a flange 43, with which it is held in the sleeve 40 and a stop 44, to which it can be inserted into the sleeve 40.
  • the side facing the optical converter 3 after assembly of the element 34 in the sleeve 40 defines a faceted scattering surface 45 may be provided with an absorbent pad, for example one for the
  • the element 34 and the sleeve 40 are made of a metal, so that the heat generated by absorption at the element 34 and in the sleeve 40 to the monolithic body 32 can be discharged.
  • FIG. 12 shows a three-dimensional plan view of the coupling-out head 30 of a fiber-optic conversion module 1 of a second embodiment with the useful light 11 exiting therefrom, viewed obliquely from above.
  • FIG. 12 shows a three-dimensional plan view of the coupling-out head 30 of a fiber-optic conversion module 1 of a second embodiment with the useful light 11 exiting therefrom, viewed obliquely from above.
  • Well recognizable in this figure is that the cone of the
  • Nutzlichts 11 may extend to the holder 20 of the fiber 4 and 18 and in this case the already described with reference to Figure 2 advantage of a lower
  • Embodiment seen obliquely from above, but without in or on this held fiber and without this
  • the monolithic body 32 has two substantially planar side surfaces 46, 47 and can be manufactured as a strand product. Will the
  • Produced stranded can a variety of these
  • Fig. 14 is a photograph of the fiber optic output head 1 shown in Fig. 11 in which it is held in a test arrangement as viewed obliquely from above, and Fig Figure 11 shown fiber optic
  • Auskoppelkopfes 1 seen obliquely from the front above shows, in which this is also held in a test arrangement.
  • the dimensions of a light spot 10 obtained on the optical converter 3 with the above embodiment are shown in FIG. This shows a typical
  • FIG. 17 shows a three-dimensional plan view of the outcoupling head 30 of a fiber optic
  • the protective cover of glass 31 is tubular with a closed, rounded end and formed at an open end and extends over more than half the length of the monolithic body 32nd
  • fitting surfaces 58 and 59 are provided, wherein the mating surface 59 cooperates with a further mating surface 60, not shown in this figure, with which this forms an approximated V-shaped arrangement.
  • the fiber 4 extends in its holder 29 approximately parallel to the longitudinal direction of the monolithic body 32 and the optical converter 3 is inclined at an angle relative thereto.
  • the sleeve 35 'for holding the fiber 4 is not an independent component in this embodiment but as a substantially equal cylindrical opening in the
  • the element 34 of the light trap 33 shown in FIG. 19 also has structural differences from that in FIG. 11 with regard to their respective faceting.
  • a substantially pyramid-shaped facet is used in each case for scattering and absorption of the light, whereas in the case of FIG. 11
  • Element 34 of Figure 19 is used for the same purposes a radially extending rib structure, the radial center with the longitudinal axis of this element 34th
  • FIG. 20 A preferred embodiment is in FIG. 20
  • Embodiment seen obliquely from above.
  • the monolithic body 32 of this embodiment has a substantially frustoconical opening 63 at the bottom of which the optical converter 3 is held.
  • a passage opening 64 By means of a passage opening 64, the fiber 4 is guided into the interior of the frusto-conical opening 63, which defines a radially extending furrow 65 as a support for the fiber 4, which can be seen better in the sectional view of FIG. Figure 21 shows a horizontal
  • Converter 3 reflected excitation light 66 as in all embodiments shown here prevents it from leaving the coupling head 30.
  • a Fresnel zone plate 67 is used to
  • reflected excitation light 66 into an opening 68 in which it can be absorbed on the side walls 69 and bottom 70, wherein the resulting heat from the monolithic body 32 is received.
  • FIG. 22 shows a detail view of the plan view of the optical fiber coupling head of the fourth embodiment shown in FIG. 19, but in a three-dimensional representation, so that in particular the reflection behavior of the optical converter 3 with respect to the excitation light can be recognized particularly well.
  • Luminous spots 10 on the optical converter 3 as
  • the location of the light spots is limited. As described above, the location of the light spots
  • each light guide from which each light emerges and in each case meets at least a substantial part of an optical converter 3, on which
  • a light spot 10 is formed, in which the exit surface 7 of the fiber 4 each having a different angle from 0 ° relative to the longitudinal axis 8 of the fiber 4, wherein preferably by the adjustment of the angle, the position of the light spot 10 is adjusted to the converter 3 and the respective light spots 10 are superimposed on the optical converter 3 at least to a substantial extent.
  • the above-described fiber optic conversion modules 1 with their
  • the invention accordingly also includes corresponding
  • Headlight of an air, water or land vehicle with such fiber optic conversion modules with such fiber optic conversion modules.
  • projection device in particular
  • the object is to provide a fiber optic conversion module of simple construction, which is a mounting part in a
  • Lighting device between an excitation light source and a headlight for emitting useful light and allows good heat dissipation solved by a
  • Fiber optic conversion module for use as
  • Headlamp as shown by way of example in Figure 23.
  • Embodiment in the example shown in Figure 23 already designed as a lighting device 200 and shown in ready assembled, installable form.
  • Conversion module 1 is shown in a longitudinal section.
  • the illumination device 200 is essentially
  • Car headlights are inserted and attached.
  • the conversion module 1 comprises a carrier element 220, a decoupling head 230 and a fiber optic light guide 250, hereinafter also
  • Positioning of the illumination device 200 in the Headlight is on the support member 220 a
  • the light guide 250 is provided at its light entry end with a plug (not shown) for coupling to an associated excitation light source (not shown).
  • the plug is preferably a plug comprising a ceramic ferrule which has a higher diameter accuracy and less eccentricity, as compared to an SMA plug, which is adapted for coupling to a laser diode which is its
  • Excitation light coupled into the optical fiber 250 is coupled into the optical fiber 250.
  • Such a ceramic ferrule facilitates the assembly significantly, so that a complex adjustment can be avoided.
  • the light guide 250 is guided without kinking to the coupling head 230, with a certain curvature in general
  • optical fiber 250 leads to the coupling-out head 230 where it is fixed and
  • the carrier element 220 is provided with a converter 221
  • Excitation light from the mounted optical fiber 250 obliquely impinges.
  • the light emerging from the optical fiber 250 excitation light thus falls obliquely on the converter 221, the short-wavelength excitation light in langwelligeres
  • the coupling head 230 is in the example of
  • Auskoppelkopf 230 is of low complexity and can therefore be manufactured easily and in large quantities at low cost.
  • the support member 220 is accordingly with a
  • connection area are made with close tolerance.
  • This may be a dH7 / m6 transition fitting, which allows for installation with light pressure.
  • the decoupling head 230 can be precisely inserted into the bore 227 and then fixed.
  • the fixation can be done by gluing in the intended position. But it can also be provided a clamp or a screw.
  • the decoupling head 230 comprises a centric, axial
  • This insert element 231 is used to receive the light exit end of the optical fiber 250.
  • the optical fiber 250 can be inserted into the insert element 231, so that the optical fiber 250 on flush converter side end of the insert element
  • the carrier element 220 is formed with a circumferential stop 226, which also has a peripheral rotating with the coupling head
  • Projection 234 of the decoupling head 230 receives.
  • a rotationally symmetrical insert element 232 is further provided. This is likewise designed as a sleeve and surrounds with a first region flush with the converter facing the front region of the coupling head.
  • Insertion element 232 with its lateral surface in mounted position in contact with the bore 227. A second, the first region opposite region of the
  • Insert member 232 is configured to receive and retain an optical element 240.
  • Element 240 is thus in the direct beam path of
  • a spacer element 233 is provided, which is located within the insert element between the coupling-out head 230 and the optical element 240.
  • ready-to-assembly coupling head 230 are made available, which serves on the one hand, the holder and fixing a light guide 250 for supplying excitation light, on the other hand, an optical element 240, preferably for focusing the excitation light on a converter 221, holds.
  • Auskoppelkopfes 230 in the bore 227 can be changed by the selection of insert elements 232 with different lengths.
  • optical element 240 is in the example a
  • focusing optical element preferably one
  • the optical element 240 is arranged coaxially with the light guide 250.
  • the excitation light is focused on the converter.
  • the rod lens with a plan
  • the overall pin-shaped construction of the conversion module 1 leads to a likewise peg-shaped structure of the
  • Carrier element 220 and the illumination device 200 are Carrier element 220 and the illumination device 200.
  • an assembly shaft 235 is provided, which allows a particularly simple insertion of the light guide 250.
  • the coupling head 230 mounted with the support element 220 ensures that the light exit end of the light guide 250 directs the excitation light onto a light spot located on the surface of the converter 221.
  • the long-wave useful light is emitted by the light spot in the form of a light cone.
  • the cone of light has an opening angle of at least 50 °, preferably at least 60 ° and particularly preferably at least 70 °.
  • Carrier member 220 further includes a reflective surface
  • the support element is equipped with a light aperture 222, which acts as a light trap.
  • a light aperture 222 which acts as a light trap.
  • This can be designed as a scattering body or comprise a scattering body, which makes the excitation light dead. In this way, the exit of reflected excitation light can be prevented.
  • the interior of the carrier element 220, which comprises the converter 221, is provided with a light-transmitting protective cover
  • the translucent protective cover 224 is made of glass and tightly connected to the carrier element 221.
  • the protective cover provides protection at least according to IP 44 according to DIN EN 60529. In this way, the
  • the carrier element 220 is manufactured in the example as a metallic sintered body.
  • the production is suitable as such a sintered body, since a sintered component can be manufactured with high accuracy and also has a high temperature resistance, as occurs in the operation of the converter.
  • the carrier element 220 can also be made of a different material, for example a heat-conducting material, in order to dissipate the high temperature of the converter during operation.
  • the Auskoppelkopf 230 can be made of other materials, for example
  • the Nutzlicht passes through the protective cover 224 to the Nutzettiteil (not shown), which in the case of a headlamp a parabolic mirror, a segment of a
  • Parabolic mirror or a modified parabolic mirror surface represents.
  • the distance between the optical element 240 and the converter 221 is about 70 mm in the example. In such a distance, it is generally sufficient if the axial adjustment possibility in a range of 0.05 mm to 5 mm, preferably in a range of 0.03 to 4 mm, to an exact axial positioning of the
  • Conversion module shows Figure 24 in an oblique view.
  • a coupling-out head 260 Shown is a coupling-out head 260. This has an area which is formed as a parabolic reflector 261. In the center of the reflector 261, a circular opening 262 is present, in which the
  • Converter (not shown) can be placed.
  • the support member carrying the converter is also not shown for the sake of clarity.
  • the surface of the reflector 261 is replaced by a
  • the slit 263 enables excitation light emerging from the light exit end of the light guide 250 to be radiated to the converter. Accordingly, the slot extends toward the converter 221 in the beam direction.
  • the optical fiber 250 is connected to the coupling head 260 with an insert member (not shown) as shown in the previous embodiment.
  • an optical element 264 is also provided to focus the excitation light on the converter.
  • the optical element 264 is arranged so as not to be in the reflector area protrudes. In this way, a shadowing of the
  • the light exit end of the light guide 250 can be brought closer to the converter 221. It is important to ensure that the light exit end not to larger
  • the light exit end of the light guide can be polished lenticular curved.
  • the bottom 265 of the coupling head 260 is for precise recording and attachment to the support element with
  • the top 266 of the coupling head 260 is with
  • Both embodiments have in common that the respective light exit end of the light guide comprises only a plan ground end face and therefore can be made very easily and inexpensively. So are
  • the optical fiber 250 has a quartz glass fiber core and a quartz glass fiber cladding, wherein the refractive index of the fiber cladding is lower than the refractive index of the fiber core.
  • a light guide is due to its comparatively high
  • the carrier element and / or the coupling-out head can already be part of a lighting device or as part of a lighting device
  • Carrier element a different material can be selected than for the coupling head.
  • a particularly temperature-stable material such as a
  • Sintered material preferably a metallic one
  • Sintered material may be provided for the carrier element, while for the decoupling another material, such as a plastic material may be provided.
  • the coupling head can therefore be easier and cheaper to manufacture.
  • the support element is thus designed so that in
  • Converter generated heat can be dissipated and dissipated via the support element.
  • the structural separation, the heat transfer to the coupling head can be reduced, so that there is a lower risk that the optical fiber is damaged during operation. In this way can also increase the life of the fiber optic
  • the object of providing a converter-heat sink assembly is achieved with a method for producing a converter-heat sink assembly with an optical converter for at least partially converting light of a first wavelength into light of a second wavelength, and a heat sink.
  • FIG. 25 which is referred to as FIG.
  • Fiber-optic conversion module 1 a converter heatsink assembly 110 together with another assembly of a first preferred embodiment in one
  • Converter 3 is held on a heat sink 42, which in turn with a second solder connection 102 on
  • the optical, preferably ceramic converter 3 may have a coating 104, by means of which the mechanical stability of the first solder connection 101 is supported and the dissipation of the heat from the optical converter 3
  • This coating 104 is preferably, a
  • the coating method for applying the coating 104 on the optical converter 3 with a preferably ceramic body comprises at least the
  • step a) first an optical, in particular ceramic converter 3 with at least one polished
  • Primary light sources with high luminance e.g.
  • Step b) involves the provision of a
  • the metal-containing paste comprises a metal powder in an organic pasting medium.
  • Is solvent mixture and / or IR-dryable e.g., Johnson Matthey 650-63 IR Medium Oil-based, Okuno 5000.
  • IR-dryable e.g., Johnson Matthey 650-63 IR Medium Oil-based, Okuno 5000.
  • the metal powder preferably contains at least one metal from the group comprising the elements silver, gold and platinum or alloys thereof.
  • silver powder is used
  • silver has both a high thermal conductivity and a high thermal conductivity
  • the metal paste provided in step b) contains a silver content of 70 to 90% by weight, preferably 80 to 85% by weight.
  • the proportion of organic Anpastmedium is 10 to 30 wt .-%,
  • Converter surface applied (step c).
  • the paste is preferably applied to the converter surface by a printing process, in particular by a screen printing process. This makes it possible, in a surprisingly simple manner, a lateral structure of the coating on the
  • step d) the on the converter surface
  • the paste is preferably dried at temperatures in the range from 150 to 400 ° C., particularly preferably at temperatures in the range from 250 to 300 ° C.
  • the drying time depends on the solvent content in the applied paste and is typically between 5 and 30 minutes
  • the applied paste is baked at temperatures> 450 ° C, resulting in a good thermal and mechanical connection of the coating thus formed to the converter.
  • Firing temperatures also cause a sintering of the metal particles contained in the metal powder.
  • the resulting sintered structure has a relatively high homogeneity and leads to the good reflection properties of the so
  • the metal powder can be largely or partially melted, so that the ceramic converter is wetted by the metal at the interface.
  • the metal particles contained in the paste merely sinter together. At the penetration of the paste, the organic
  • the thus coated with the coating 104 converter 3 is connected in step f) to the heat sink 42 to form a first solder joint 101, this means fixed by the first solder joint thereby produced also mechanically on this.
  • the heat sink 42 is soldered using the first solder to the coating 104 obtained in step e) using a preferably tin-containing, lead-free solder.
  • Preferred further first solders for the first solder connection 101 are described in more detail below.
  • the glass content leads to a better adhesion of the
  • the glass content also influences the
  • the metallic coating can be applied several times. This will be
  • the glass content is 0.05 to 8 wt .-%, preferably 0.1 to 6 wt .-%, particularly preferably 0.2 to 5 wt .-% is. This glass content has been found to be advantageous, since on the one hand the glass content is sufficient to the adhesion of the coating to the
  • this is in the paste
  • glass contained a glass transition temperature Tg in the range of 300 to 600 ° C, preferably in the range of 350 to 560 ° C.
  • the glass powder used in step b) is preferably a PbO, a B12O3, a ZnO, an SO3 or a silicate-based glass. These glasses have turned in
  • a silicate-based glass in particular a glass having a SiO 2 content of at least 25% by weight, is used in step b).
  • Corresponding glasses have besides advantageous refractive index and softening temperatures also among the
  • Einbrand towards invention (step e)) a high resistance to redox processes involving the metal and / or the ceramic converter.
  • the coating 104 shown in FIG. 26 may preferably be used in all
  • Embodiments may be applied to the side of the optical converter 3 facing the solder joint 101, although this coating 104 is not explicitly shown in each figure for the sake of simplicity of illustration.
  • the second solder joint 102 is capable of a gap 103 between the monolithic body 32 and the
  • Heat sink 42 to fill and allows in their softened state, a shift of the converter-heat sink assembly 110 at least in the directions x and y relative to
  • the converter-heat sink assembly 110 can be fixed relative to the monolithic body 32 with a few ym lateral deviation by means of a hexapod which is well known to the person skilled in the art, but not shown in the figures.
  • optical converter 3 is reduced, whereas by
  • the converter-Ksselgroperverbund 110 about the z-axis are rotated or tilted, which allows an adjustment of the inclination of the surface of the optical converter 3, on which the excitation light falls.
  • both the reflected excitation light and the main lobe of the useful light can be influenced in its direction of propagation and thus adjusted in a defined angular interval.
  • FIG. 26 shows an assembly 105 of a coupling-out head 30 of a fiber-optic conversion module 1, in which the converter-heat sink assembly 101 shown in FIG. 25 is held by a second solder connection 102, in a three-dimensional manner Sectional view from the front of a slightly raised
  • This module may for example also be part of the one shown in FIG. 29 or another coupling head, as will be described in more detail below.
  • the assembly 105 has a substantially horizontally extending mating surface 106 and a columnar
  • Sleeve is disposed in a monolithic body 32 which carries both the fiber 4 with its holder 29 and the optical converter 3.
  • a light trap 33 is also held by the monolithic body 32 and has a plug-shaped element 34 at its end to be recognized in FIG.
  • Auskoppelkopf 30 are held. A fit is in the form of a rectangular recess 36 on the underside of the monolithic body 32
  • FIG 27 is a horizontally extending, three-dimensional
  • Auskoppelkopfes 30 passes through the center of the fiber 4 of the fiber optic conversion module.
  • the diameter of the light-conducting Core of the fiber in this as well as all other embodiments described herein may generally be about 3 ym to 1500 ym, preferably about 3.5 ym to 1000 ym, and most preferably about 50 ym to 150 ym.
  • the light trap 33 comprises a held in monolithic body 32 sleeve 41 which receives the element 34, which is plug-shaped introduced into the sleeve 41 and on this sleeve by a mechanical fit with press fit, gluing, soldering or screwing can be kept.
  • the sleeve 40 may be blackened, roughened or provided with light traps, not shown in the figures, which may extend radially in the sleeve with a triangular profile.
  • the longitudinal or symmetry axis of the sleeve 40 is aligned with the light spot 10 of the optical converter 3 and extends at an angle which the
  • both the fiber 4 in the holder 29 and the optical converter 3 is arranged before and after the adjustment in the monolithic body 32, which preferably by a
  • powder metallurgical injection molding process in particular by a metal injection molding process (MIM) and thus can provide high mechanical strength along with good thermal conductivity.
  • MIM metal injection molding process
  • Windings 111, 112, 113 of the induction coil 114, the monolithic body 32 can be heated in a defined manner, so that the converter-heat sink assembly 110 assumes a temperature higher than Ts2 and lower than Tsl, and thus, this composite 110 softens through the
  • Soldered connection 102 can be mounted on the monolithic body 32 and can be adjusted relative to the monolithic body 32 even after assembly when reheated to this temperature.
  • This type of heating is not limited to the embodiment described above, but may be performed in any of the embodiments described herein. Also, only the heating of the converter-heat sink assembly, for example, in Figure 30
  • monolithic bodies 32 provide both a mechanically strong hold and good thermal conductivity, so that the temperature of the optical converter 3 in operation does not become higher than 170 ° C to 190 ° C.
  • the temperature of the optical converter 3 in operation does not become higher than 170 ° C to 190 ° C.
  • the thermal conductivity ⁇ of the monolithic body 32 together with the heat sink 42 is greater than 200 W / (m * K) and is preferably greater than 350 W / (m * K).
  • the converter-heat sink assembly is connected to the second
  • Lotharm 102 held on a flat bottom surface 115 of the monolithic body 32.
  • one of the assemblies 105 'shown in FIG. 26 may also carry the converter-heat sink assembly in a pre-adjusted manner and, by precisely fitting this assembly 105' on the monolithic body 32, an adjusted arrangement within the fiber-optic outcoupling head 30
  • a particular advantage of these embodiments lies in the flexible use of the converter-heat sink assembly - assemblies 110.
  • converter-heatsink assembly assemblies 110 are manufactured inexpensively and these are equipped with selected prefabricated converter-heatsink assembly assemblies 110. For different spectral tolerance fields, for example, for motor vehicle headlights from different manufacturers with their own tolerance fields spectrally selected, the converter-heatsink assemblies 110 associated with each manufacturer then each am
  • monolithic body 32 are attached to a the
  • Figure 28 shows a horizontal, three-dimensional, cross-sectional view of the outcoupling head 30 of a second embodiment shown in Figure 9 passing through the center of the fiber optic outcoupling head 30 and through the center of the fiber 4 of the fiber optic conversion module 1.
  • This embodiment differs from that described above by the arrangement of the converter-heat sink assembly 110 on a support 116, to which this arrangement is held by means of the second solder connection 102 and defines together with this support 116, the individually manageable assembly 105 ', which in a
  • the columnar shape of the carrier 116 also has a heat-dissipating effect, since the carrier 116 can also be held in the monolithic body 32 by means of the second solder connection and can dissipate the heat absorbed by the heat sink 42 thereto.
  • the heat sink 42 itself also laterally in the
  • the carrier 116 Functionally by its shape, the carrier 116.
  • the assembly 105 'thus corresponds to the converter-heat sink assembly 110 and this is held with the second solder connection 102 on the monolithic body 32.
  • it has a different form from the embodiment shown in Figure 26 to be laterally and in its insertion direction by means of the second solder joint 102 defined and adjusted to be held on the monolithic body 32, which is helpful for mass production, since then can be dispensed with further adjustments, especially if already the exact fit in the recess 117th provides the tolerances needed for a final adjustment.
  • the recess 117 may be larger than the
  • the second solder joint 102 may allow it with a clearance defined by the gap 103, the
  • a hexapod can carry the assembly 105 'or 110 and keep it correctly adjusted, at least until the second solder connection is made.
  • FIG. 30 shows a converter-heat sink assembly 105 ', 110, in which a plurality of optical converters 3 at least one heat sink 42 are mounted so that they can be heated together with the at least one heat sink 42 to a temperature above Tsl and in this case the first solder joint 101 can be produced.
  • protrusions 118, 119, 120, 121 projecting from the heat sink 42, which laterally embrace the optical converter 3 and thereby laterally correctly adjusted position
  • converter heat-sink composites 110 can then be used, preferably along the grooves 122 through 129
  • the first solder joint 101 is first prepared, preferably at a temperature of higher than or equal to Tsl, and then the second solder joint 102 is produced. Thereafter, but not necessarily in immediate time sequence, the second solder joint 102 at a
  • Making the solder joints is accompanied, for example, in the first embodiment, material of the fiber 4 can be thermally damaged, it is possible this fiber 4 with the holder 29 and only after making the first and / or second solder joint 101, 102 on
  • Manufacturing method can be carried out in the manufacture of the respective solder joint heating of the arrangement with at least one optical converter 3 and at least one heat sink 42 by introducing into an oven with a temperature above Tsl or Ts2, wherein the
  • Minimum residence time of the arrangement of at least one optical converter and at least one heat sink in the oven allows the setting of a temperature equilibrium.
  • heating of the arrangement with at least one optical converter 3 and at least one heat sink 42 by local heating in particular by a mechanical thermal contact, for example by contact with a preferably thermally controlled
  • Heating element 114 contact with a heated body, such as a heated monolithic body 32, which carries prepositioned assemblies and
  • pulsed laser radiation takes place.
  • a further optical assembly 32 can also be carried out at reduced ambient pressure and thereby prevail in particular reduced ambient pressure until the respective solder connection 101, 102 is produced.
  • the first solder may be an Ag / Au solder and the second solder an Ag / Sn solder.
  • the heat sink 42 may comprise steel, aluminum, copper and / or bronze alloys and in particular also be produced by a metal injection molding (MIM) method. Particularly advantageous, the above-described fiber optic conversion modules in

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Justierung eines Leuchtflecks von aus zumindest einem Lichtleiter austretendem Licht auf einem optischen Konverter, bei welchem die Austrittsfläche 7 der Faser einen von 0° verschiedenen Winkel α relativ zur Längsachse der Faser aufweist, wobei durch die Einstellung des Winkels α die Lage des Leuchtflecks auf dem Konverter justiert wird, sowie eine Vorrichtung mit einem Lichtleiter, aus welchem Licht austritt und zumindest zu einem wesentlichen Teil auf einen optischen Konverter trifft, auf welchem hierdurch ein Leuchtfleck entsteht, bei welcher die Austrittsfläche 7 der Faser einen von 0° verschiedenen Winkel α relativ zur Längsachse der Faser aufweist, wobei insbesondere durch die Einstellung des Winkels α die Lage des Leuchtflecks auf dem Konverter justiert ist. Die Erfindung bezieht sich in einem weiteren Aspekt auf ein Konversionsmodul als Teil einer Beleuchtungseinrichtung. Das Konversionsmodul wird mit Anregungslicht einer Lichtquelle betrieben, wobei ein faseroptischer Lichtleiter zum Einsatz kommt. Zum Haltern eines Konverters zur Erzeugung des Nutzlichtes ist ein Trägerelement vorgesehen, während der Lichtleiter durch einen Auskoppelkopf positioniert und gehaltert wird. In einem nochmals weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Konverter-Kühlkörperverbund bereitgestellt, bei dem Kühlkörper und Konverter derart miteinander verbunden sind, dass die Verbindung zwischen Konverter und Kühlkörper vorzugsweise ein hohes Reflexionsvermögen aufweist und sowohl die Verbindung zwischen Konverter und Kühlkörper als auch das Gesamtsystem einen geringen thermischen Widerstand sowie eine hohe Lebensdauerprognose aufweisen.

Description

Verfahren zur Justierung eines auf einem optischen
Konverter erzeugten Leuchtflecks , Vorrichtung mit
Leuchtfleck und deren Verwendungen sowie Konverter- Kühlkörperverbund mit metallischer Lotverbindung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Justierung eines auf einem optischen Konverter erzeugten Leuchtflecks sowie eine Vorrichtung mit justiertem Leuchtfleck und deren
Verwendung, insbesondere als Licht emittierende Vorrichtung von Automobilscheinwerfern.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt ein
Konversionsmodul, umfassend einen optischen Konverter, als Teil einer Beleuchtungseinrichtung. Das Konversionsmodul wird mit Anregungslicht einer Lichtquelle betrieben, wobei ein faseroptischer Lichtleiter zum Einsatz kommt.
Schließlich betrifft die Erfindung in einem nochmals weiteren Aspekt einen Konverter-Kühlkörperverbund sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Konverter- Kühlkörperverbundes. Im speziellen betrifft die Erfindung in diesem Aspekt einen optischen Konverter, welcher durch eine metallische Anbindung mit einem Kühlkörper verbunden ist .
Eine Licht emittierende Vorrichtung als Teil eines
Scheinwerfers ist aus WO 2008/000208 AI entsprechend
DE 10 2006 029 2003 AI bekannt und umfasst eine Anregungslichtquelle, einen daran angekoppelten Lichtleiter und sich daran anschließendes Konvertermaterial zur
Umwandlung des kurzwelligeren Anregungslichtes in im Mittel langwelligeres Nutzlicht mit Weißlichteindruck. Das
Nutzlicht setzt sich dabei aus einem langwelligeren, konvertierten Anteil und einem nichtkonvertierten Teil des Anregungslichts zusammen. Im Einzelnen ist eine
Steckverbindung zu einem transparenten Körper, ein
Konverter im Transmissionsbetrieb und ein optisches Bauteil zur Abstrahlung des konvertierten Nutzlichtes in
Vorzugsrichtung vorgesehen. Ein Kühlkörper für den
Konverter ist nicht vorhanden.
Aus DE 10 2010 034 054 AI ist eine laserbasierte
Weißlichtquelle bekannt, bei der ein Laser mittels einer Sammellinse einen Leuchtfleck in einem Konverter erzeugt, um im Transmissionsbetrieb weißes Nutzlicht abzugeben. Zur Vermeidung hoher Temperaturen am Leuchtfleck wird der
Konverter unter Einbezug von wärmeleitfähigem Material hergestellt, zusätzlich durch Luft gekühlt und/oder
rotieren lassen, um den Leuchtfleck im Konvertermaterial rundum wandern zu lassen.
Die Verwendung von mehreren Lichtleitern nebeneinander in einer Licht emittierenden Vorrichtung mit Konverter im
Transmissionsbetrieb ist aus US 2010/0254153 AI bekannt.
US 2008/0075406 AI zeigt eine optische Komponente mit einem Konverter, einem zu diesem führenden Lichtleiter, einem Halter der Lichtleiter und einer Kappe zur Befestigung des Konverters an dem Halter. Die Kappe und der Halter bestehen aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, um möglichst Wärme von dem Konverter abzuführen, der im
Transmissionsbetrieb beaufschlagt wird.
Licht emittierende Vorrichtungen, teilweise auch im
Remissionsbetrieb für Scheinwerfer sind aus US 2011/0148280 AI, US 2011/0279007 AI, US 2011/0280033 AI, US 2012/0106178 AI, US 2012/0106183 AI und US 2012/0069593 AI bekannt. Bei diesen ist das Konvertermaterial als Block im Fokus des parabolförmigen Scheinwerferspiegels angeordnet, wobei sich zur Befestigung des Konverters eine transparente Platte quer durch den Parabolspiegel erstreckt (US 2011/0148280 AI, US 2011/0279007 AI, US 2011/0280033 AI, US 2012/0069593 AI), oder es wird eine Trägerwand längs der Achse des
Parabolspiegels gebildet, auf welcher der Konverter
befestigt ist (US 2012/0106178 AI, US 2012/0106183 AI) .
Zur Vermeidung von unerwünschtem Streulicht ist in einer faseroptischen Konversionslichtquelle auch die Qualität der Austrittsfläche der Faser von Bedeutung. Zur Herstellung eines Faserendes mit einer Austrittsfläche für das in der Faser geführte Licht sind allgemein verschiedene Verfahren bekannt .
Die mechanische Trennung von Fasern, durch welche eine Austrittsfläche für das in der Faser geführte Licht
definiert wird, ist beispielsweise in EP 1 972 973 A2 beschrieben. Mittels einer mechanisch aufwändigen und in deren baulichen Abmessungen komplexen Vorrichtung ist ferner die Herstellung von Austrittsflächen möglich, welche gegenüber der Längsachse der Faser geneigt, diese bedeutet auch in anderen Neigungswinkeln als 90° relativ zur
Faserlängsachse verlaufen. Die Herstellung eines Faserendes mit einer Austrittsfläche für das in der Faser geführte Licht mittels Laserstrahlung wird beispielsweise in WO 02/34452 AI offenbart. Durch das Abtrennen von Fasermaterial ergibt sich eine im
Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Faser
verlaufende Austrittsfläche.
Die britische Patentanmeldung GB 2 399 652 A beschreibt die Herstellung eines facettierten Faserendes mit einer
facettierten Austrittsfläche mittels Laserstrahlung.
Bei faseroptischen Konversionsmodulen kommt der Justierung von deren optischen Baugruppen erhöhte Bedeutung zu, denn es soll der zur Verfügung stehende Nutzlichtanteil, welcher durch den dieses Modul tragenden Schweinwerfer abgegeben wird, nicht unnötig geschmälert werden. Das von der Faser abgegebene Konversionslicht soll folglich soweit als möglich innerhalb des optischen Konverters sowohl in spektraler als auch in räumlicher Weise korrekt umgesetzt und nachfolgend in der Regel innerhalb eines einzigen nutzbaren Lichtkegels abgegeben werden. Hierzu kommt insbesondere der Justierung des aus der Faser austretenden Konversionslichts auf den optischen Konverter maßgebliche Bedeutung zu.
In typischer Weise erzeugt das aus der Faser austretende Konversionslicht einen Leuchtfleck auf dem optischen
Konverter, dessen sowohl laterale Lage als auch Richtung des Auftreffens innerhalb vordefinierter Toleranzen zu justieren ist. Rein mechanische Justierverfahren der Faser erreichen hierbei Genauigkeiten der lateralen Lage mit Abweichungen von 200 ym und mehr.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem
Verfahren zur Justierung eines auf einem optischen
Konverter erzeugten Leuchtflecks sowie einer Vorrichtung mit justiertem Leuchtfleck die Genauigkeit der Justierung zu verbessern und insbesondere die industrielle
Fertigungstauglichkeit des Justiervorgangs zu unterstützen.
Der Erfindung liegt in einem weiteren Aspekt die Aufgabe zugrunde, ein faseroptisches Konversionsmodul, umfassend einen optischen Konverter, einfachen Aufbaus zu schaffen, das sich als Montageteil in eine Beleuchtungseinrichtung zwischen einer Anregungslichtquelle und einem Scheinwerfer zur Abgabe von Nutzlicht eignet und eine gute Wärmeabfuhr ermöglicht .
Das Konversionsmodul soll dabei aus Kostengründen lediglich mit einer einzigen Faser betrieben werden können. Die
Abschattung, insbesondere durch die zugeführte Faser, soll möglichst gering sein. Zudem soll eine einfache und rasche Montage des Konversionsmoduls einerseits sowie als Ganzes in das Nutzgerät, etwa die Beleuchtungseinrichtung, gegeben sein, um eine kostengünstige Fertigung und Montage zu ermöglichen. Demzufolge soll das Konversionsmodul auch wartungsfreundlich sein, also im Schadensfalle einfach auszutauschen sein. Eine Feinj ustierung soll auch nach erfolgter Montage noch möglich sein. Ferner soll auch die erforderliche Strahlsicherheit bei der Verwendung von
Laserlicht als Anregungslicht in Beleuchtungseinrichtungen gegeben sein. Es ist in einem nochmals weiteren Aspekt eine Aufgabe der Erfindung, einen Konverter-Kühlkörperverbund
bereitzustellen, bei dem Kühlkörper und Konverter derart miteinander verbunden sind, dass die Verbindung zwischen Konverter und Kühlkörper vorzugsweise ein hohes
Reflexionsvermögen aufweist und sowohl die Verbindung zwischen Konverter und Kühlkörper als auch das Gesamtsystem einen geringen thermischen Widerstand sowie eine hohe
Lebensdauerprognose aufweisen und dennoch eine
kostengünstige Selektion ermöglicht wird. Eine weitere
Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines entsprechenden
Konverter-Kühlkörperverbundes . Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren sowie einer
Vorrichtung nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Ein Vorteil des Verfahrens besteht auch darin, dass bei besonders bevorzugten Ausführungsformen nach der Justierung bereits das endgültige Produkt zur Verfügung stehen kann, ohne dass weitere, die Justierung beeinflussende
Fertigungsschritte, wie beispielsweise das Haltern der Faser oder des optischen Konverters erforderlich sind. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines
Verfahren zur Justierung eines Leuchtflecks von aus
zumindest einem Lichtleiter austretendem Licht auf einem optischen Konverter umfasst der Lichtleiter eine das Licht leitende Faser und weist die Normale der Austrittsfläche der Faser einen von 0° verschiedenen Winkel relativ zur
Längsachse der Faser auf und wird durch die Einstellung des Winkels die Lage des Leuchtflecks auf dem Konverter justiert. Durch Einstellung des Winkels vor oder nach der Festlegung der Faser in deren Halterung wird ein eigener Freiheitsgrad zur Justierung erhalten, der bevorzugt die horizontale Richtung des aus der Faser austretenden Lichts beeinflussen kann. Bei weiteren bevorzugten
Ausführungsformen kann jedoch dieser Winkel auch schräg zur Horizontalen liegen und eine frei wählbare laterale Korrektur der Lage des Leuchtflecks zur Justierung
vorgenommen werden, insbesondere, wenn die Ist-Lage des Leuchtflecks vor der Justierung und die Soll-Lage nach der Justierung bekannt ist, beispielsweise bei Verwendung einer bildverarbeitenden Prozesssteuerung. Hierbei führt die Änderung der Neigung der Austrittsfläche der Faser dann zu einem Wandern des Leuchtflecks aus seiner Ist-Lage in die erwünschte Soll-Lage.
Ferner kann durch die Justierung des Leuchtflecks nicht nur die Lage des Leuchtflecks auf dem Konverter in einer lateralen Richtung, sondern auch die Lage und Richtung des aus dem optischen Konverter austretenden remittierten
Nutzlichtes beeinflusst und optimiert werden. Hierdurch können beispielsweise Verluste des Nutzlichtes durch
Abschattung vermindert werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird die
Faser zunächst in einer Halterung festgelegt und nach deren Festlegung in der Halterung der Winkel eingestellt und die Lage des Leuchtflecks justiert. In besonders
vorteilhafter Weise ist dies bereits die endgültige Lage der Faser wie diese in dem späteren faseroptischen
Konversionsmodul Verwendung findet. Hierdurch sind bereits mit dieser Justierung im Wesentlichen alle für das endgültige Produkt wichtigen Optimierungen vornehmbar und besteht Fertigungssicherheit, dass keine weiteren
nachteiligen Veränderungen eingebracht werden müssen. Bei einer weniger bevorzugten Ausführungsform wird die
Austrittsfläche der Faser zunächst in einem vordefinierten Winkel eingestellt, welcher im Wesentlichen dem
justierten Winkel entspricht, und die Faser danach erst in deren Halterung festgelegt. Hierzu kann die Lage des Leuchtflecks vor dessen Justierung, beispielsweise in Form der korrekten Soll-Lage gemäß Konstruktionsvorgaben erfasst und nach dessen Justierung auf dem optischen Konverter, beispielsweise mit bildgebenden Fertigungsvorrichtungen überprüft werden. Hierbei entstandene Exemplare mit zu hohen Abweichungen von der korrekt justierten Lage können dann mit dem Verfahren, welches vorstehend als besonders bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde,
nachgearbeitet oder es können diese Fehlexemplare aus dem Fertigungsprozess aussortiert werden.
Vorteilhaft wird die Austrittsfläche der Faser während der Justierung, insbesondere materialabtragend, derart
bearbeitet, dass sich hierdurch der Winkel der
Austrittsfläche ändert.
Obwohl für diese materialabtragende Bearbeitung prinzipiell auch Schleifen und Polieren der Faserendfläche möglich ist, wird die Bearbeitung mit optischen Mitteln, beispielsweise mit Laserstrahlung bevorzugt, da das dann verdampfende Fasermaterial in der Regel weniger an Kontamination der weiteren Baugruppen mit sich bringt, insbesondere wenn für einen ausreichenden Abzug der abgetragenen Materie Sorge getragen ist.
Alternativ kann auch eine Materialaufbringung den Winkel ändern, beispielsweise durch das Aufkleben eines Prismas, welches ebenfalls bearbeitet werden kann, wenn dieses nicht auf Anhieb zu korrekter Justierung führt.
Vorteilhaft werden bei der materialabtragenden Bearbeitung sowohl der lichtleitende Kern der Faser als auch deren Mantelstrukturen bearbeitet, welches bei entsprechender Intensität des Laserlichts sowie geeigneter Wellenlänge und ausreichendem Abzug der abgetragenen und zumindest
teilweise verdampften Materie mit sehr geringer
Kontamination der verbleibenden Baugruppen des
faseroptischen Konversionsmoduls möglich ist. Der Begriff der Mantelstrukturen umfasst in diesem Zusammenhang und in dieser Beschreibung sowohl die äußeren Mantelstrukturen, welche auch als Cladding bezeichnet werden und dem
mechanischen Schutz der lichtleitenden Strukturen dienen, als auch die inneren Mantelstrukturen, welche bei
Stufenwellenleitern den lichtleitenden Faserkern umgeben und einen anderen Brechungsindex als der lichtleitende Faserkern aufweisen. Bei Gradientenindex-Fasersystemen bedarf es an dieser Stelle keiner weiteren Differenzierung der Begriffe innerer Mantel und Kern, da bei der
materialabtragenden Bearbeitung vorteilhaft die gesamte Faser bearbeitet werden kann, ohne dass es hierbei für den gewünschten Materialabtrag wesentlich auf die
lichtleitenden Strukturen der Faser ankommt. Soweit
nachfolgend Strahlengänge betrachtet und diskutiert werden, wird dies anhand des Hauptstrahls vorgenommen, welcher in geometrisch optischer Näherung derjenige Strahl ist, der im innern der jeweiligen Faser in Richtung von deren
Längsachse propagiert und auch aus dieser Richtung auf die jeweilige Austrittsfläche der Faser auftrifft. Auch für die Darstellung der geometrisch optischen Sachverhalte bedarf es keiner Differenzierung in Bezug auf den Fasertyp, da, obwohl Glas-basierte Fasertypen bevorzugt werden, die
Erfindung dennoch bei im Wesentlichen allen Fasern
Anwendung finden kann.
In äußerst bevorzugter Weise wird bei der
materialabtragenden Bearbeitung auch der Abstand der
Austrittsfläche der Faser relativ zum optischen Konverter eingestellt, wobei der Abstand der Faser zum optischen Konverter den Abstand des Austrittspunktes des Hauptstrahls aus der Faser zum optischen Konverter bezeichnet. Da das aus der Faser austretende Licht einen definierten
Öffnungswinkel aufweist, welcher im Wesentlichen der effektiven numerischen Apertur entspricht, welche durch die Einkopplung, die Fähigkeit der Faser Licht zu leiten und deren Austrittsapertur bestimmt und hierdurch wählbar ist, kann mit der Justierung des Abstands auch die Größe des Leuchtflecks auf dem optischen Konverter geändert und hiermit justiert werden.
Vorzugsweise wird die Austrittsfläche der Faser während der Justierung, insbesondere unter Verwendung von Laserlicht materialabtragend derart bearbeitet, dass sich eine ebene, sich unter einem justierten Winkel erstreckende Fläche ergibt. Alternativ kann die Austrittsfläche der Faser während der Justierung, insbesondere unter Verwendung von Laserlicht materialabtragend derart bearbeitet werden, dass sich eine nicht-ebene, insbesondere gewölbte Austrittsfläche der Faser ergibt. Hierdurch können beispielsweise bei
zylindrisch konvexer Wölbung der Faser zylinderlinsenartige Wirkungen bereitgestellt werden und der Leuchtfleck in dessen Verhältnis von Höhe zu Breite beispielsweise
elliptisch-oval oder kreisrund ausgebildet werden. Ferner kann bei einer sphärischen oder auch asphärischen Wölbung der Austrittsfläche ein Fokus auf der Oberfläche oder zumindest in der Nähe der Oberfläche des optischen
Konverters definiert werden, welcher zu einer verbesserten Konversionsrate des Konverters beitragen kann.
Bevorzugt kann hierzu die Austrittsfläche der Faser während der Justierung, insbesondere unter Verwendung von
Laserlicht, materialabtragend zunächst derart bearbeitet werden, dass sich zunächst eine ebene, sich unter einem einer korrekten Justierung entsprechend eingestellten
Winkel erstreckende Fläche ergibt und danach durch weitere materialabtragende Bearbeitung, insbesondere mit Laserlicht, eine nicht-ebene Formung, insbesondere Wölbung in der Austrittsfläche der Faser erzeugt werden, wodurch der Anteil des aus dem Konverter austretenden Nutzlichtes erhöht werden kann.
Dieser vorstehend beschriebene Verfahrensablauf kann auch unter Messung des aus dem Konverter austretenden Lichtes, beispielsweise mit bildgebenden Fertigungsverfahren
vorgenommen und die Form der Austrittsfläche hierdurch optimiert werden. Eine einmal optimierte Form der Austrittsfläche kann dann beispielsweise auch auf weitere zu fertigende Baugruppen übertragen werden.
Auf diese Weise können nicht-eben geformte, beispielsweise zylindrische, sphärische, asphärische und auch frei
geformte Austrittsflächen, insbesondere auch durch
sukzessive Optimierung entstehen.
Die Form der Austrittsfläche kann somit nach einer
vordefinierten Bearbeitungsgeometrie entstehen oder auch mit Rückkopplung durch Messung des tatsächlichen
Nutzlichtanteils optimiert werden.
Insbesondere bei einer mehrstufigen sukzessiven Bearbeitung ergibt sich insbesondere auch unter Einbeziehung der optischen sowie geometrischen Eigenschaften des tatsächlich verwendeten Konverters und der tatsächlich verwendeten Faser ein deutlich optimierter Nutzlichtanteil, da die Justierung nicht nur in Bezug auf die Lage des Leuchtflecks sondern auch in Bezug auf einen insgesamt verbesserten
Nutzlichtanteil vorgenommen wird und insbesondere auch alle Eigenschaften des optischen Konverters mit berücksichtig werden können. Vorteilhaft sind sowohl die Faser in deren Halterung als auch der optische Konverter vor und nach der Justierung in einem monolithischen Körper angeordnet und wird bei dieser Anordnung bereits die finale bzw. endgefertigte Lage dieser Komponenten definiert.
Bevorzugt ist dabei der monolithische Körper durch ein pulvermetallurgisches Spritzgießverfahren, insbesondere durch ein Metal-Inj ection-Mould-Verfahren (MIM)
hergestellt, mit welchem sich Körper mit guter
Wärmeleitfähigkeit und komplexen Geometrien auf präzise Weise herstellen lassen.
Ebenfalls bevorzugt ist bei dem monolithischen Körper dessen Wärmeleitfähigkeit λ zusammen mit einem Kühlkörper größer als 200 W/ (m*K) und bevorzugt größer als 350
W/ (m*K) .
Vorteilhaft weist der Durchmesser auf dem optischen
Konverter eine Größe von 0,5 ym bis 800 ym, bevorzugt eine Größe von 1 ym bis 500 ym und am bevorzugtesten eine Größe von 5 ym bis 300 ym auf. Bei ellipsoiden Leuchtfleckformen gelten die vorstehend für den Durchmesser gemachten
Aussagen für das Zweifache von deren Hauptachsen.
Bei der bevorzugtesten Ausführungsform ist die laterale Abweichung der Lage des Leuchtflecks auf dem optischen Konverter insbesondere nach der Justierung kleiner als 200 ym, bevorzugt kleiner als 150 ym und besonderes bevorzugt kleiner als 100 ym. Hierdurch können, wenn das
faseroptische Konversionsmodul in weitere Baugruppen eingesetzt oder an diesen angebracht wird, in der Regel weitere Justierungen beim Einsetzen oder Anbringen an den weiteren Baugruppen vermieden werden, wenn am
monolithischen Körper Passungen angebracht sind, welche mit zugeordneten Passungen der weiteren Baugruppen entsprechend zusammenwirken können. In diesem Fall kann auch die
Abweichung des Abstands der Austrittsfläche der Faser zur Oberfläche des optischen Konverters nach der Justierung vorteilhaft kleiner als 500 ym, bevorzugt kleiner als 250 ym und besonderes bevorzugt kleiner als 100 ym sein.
Bevorzugt beträgt weiterhin der Abstand der Austrittsfläche der Faser zur Oberfläche auf dem optischen Konverter, an welcher das Intensitätsmaximum des aus der Faser
austretenden Lichtes liegt, zwischen 200 ym und 2500 ym, bevorzugt zwischen 400 ym und 1500 ym, besonders bevorzugt zwischen 1500 und 800 ym und am bevorzugtesten zwischen 600 ym und 1200 ym.
Der Winkel kann nach dessen Justierung etwa 10° bis 30°, bevorzugt etwa 15° bis 25°, besonders bevorzugt etwa 18° bis 22° betragen.
Vorteilhaft beträgt der Durchmesser des lichtleitenden Kerns der Faser etwa 3 ym bis 1500 ym, bevorzugt etwa 3,5 ym bis 1000 ym und am bevorzugtesten etwa 50 ym bis 150 ym. Die vorstehend beschriebenen Vorteile weist auch eine
Vorrichtung mit einem Lichtleiter auf, aus welchem Licht austritt und zumindest zu einem wesentlichen Teil auf einen optischen Konverter trifft, auf welchem hierdurch ein
Leuchtfleck entsteht, und weist die Normale der
Austrittsfläche der Faser einen von 0° verschiedenen Winkel relativ zur Längsachse der Faser auf, wobei vorzugsweise auch durch die Einstellung des Winkels die Lage des
Leuchtflecks auf dem Konverter justiert ist. Ferner kann diese Vorrichtung eine Lichtfalle für aus der Faser austretendes, reflektiertes Licht umfassen, welche beispielsweise auch bei starker mechanischer Belastung, beispielsweise bei einer durch einen Unfall ausgeübten Belastung sicher gewährleistet, dass kein reflektiertes Anregungslicht, beispielsweise Laserlicht, aus dem
beschädigten faseroptischen Konversionsmodul treten kann. Dies kann auch bei einer Zerstörung des optischen
Konverters dann sicher gewährleistet werden, wenn der monolithische Körper entsprechend dimensioniert ist und hierdurch die dann auftretenden Kräfte sicher aufnehmen kann .
Eine weitere bevorzugte Vorrichtung umfasst mehr als einen Lichtleiter, aus welchem jeweils Licht austritt und jeweils zumindest zu einem wesentlichen Teil auf einen optischen Konverter trifft, auf welchem hierdurch jeweils ein
Leuchtfleck entsteht, und weist die Normale der
Austrittsfläche der Faser jeweils einen von 0°
verschiedenen Winkel relativ zur Längsachse der Faser auf, wobei vorzugsweise auch durch die Einstellung des Winkels die Lage des Leuchtflecks auf dem Konverter justiert ist, insbesondere gemäß einem hier beschriebenen Verfahren justiert ist und überlagern sich die jeweiligen Leuchtflecke auf dem optischen Konverter zumindest zu einem wesentlichen Anteil. Als wesentlicher Anteil wird hierbei eine Überlagerung von mehr als 50% der Fläche der
Leuchtflecke angesehen, innerhalb derer die Intensität des Lichtes der jeweiligen Leuchtflecke jeweils höher als 50% der maximalen Intensität des vom jeweiligen Lichtleiter abgegebenen und auf dem optischen Konverter auftreffenden Lichtes ist.
Besonders eignet sich die vorstehend beschriebene
Vorrichtung auch für Scheinwerfer, wie beispielsweise für Scheinwerfer von Luft-, Wasser- oder Landfahrzeugen. Auch Scheinwerfer für Theater und Bühne sowie Suchscheinwerfer für Hilfskräfte, Outdoor-, Offshore-Anwendungen und
dergleichen profitieren von der Verwendung dieser
Vorrichtung, denn durch die korrekte Lage des
Emissionszentrums des faseroptischen Konversionsmoduls, welche mit der korrekt justierten Lage des Leuchtflecks einhergeht, können derartige Scheinwerfer das vom
faseroptischen Konverter bereitgestellte Nutzlicht sehr definiert weiterleiten und hierdurch sehr definierte
Lichtverteilungen bereitstellen, wie dieses beispielsweise für blendfreie Kraftfahrzeugscheinwerfer vorteilhaft ist. Insbesondere bei Scheinwerfern für Theater, Film und Bühne sind sehr scharf abgegrenzte Lichtfiguren mit hohem
Kontrast erzeugbar, da eine äußerst kleine aber dennoch intensive Lichtquelle mit hoher Präzision an dem durch das optische Design vorgesehenen Ort zur Verfügung gestellt werden kann. Bei Projektionseinrichtungen, insbesondere bei digitalen bildgebenden Projektionseinrichtungen, sind Abbildungen mit sehr hohem Kontrast erzeugbar, da eine äußerst kleine aber dennoch intensive Lichtquelle zur Verfügung gestellt wird, welche die optische Korrektur der bildgebenden Systeme mit höherer Präzision unterstützt.
In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe, ein faseroptisches Konversionsmodul einfachen Aufbaus zu schaffen, das sich als Montageteil in eine
Beleuchtungseinrichtung zwischen einer Anregungslichtquelle und einem Scheinwerfer zur Abgabe von Nutzlicht eignet und eine gute Wärmeabfuhr ermöglicht, gelöst durch ein faseroptisches Konversionsmodul als Teil einer Beleuchtungseinrichtung, das Nutzlicht gemischt aus
kurzwelligerem Anregungslicht und langwelligerem
Konversionslicht abgibt. Das Konversionsmodul umfasst dabei:
- ein Trägerelement,
- einen Auskoppelkopf, und
- einen faseroptischen Lichtleiter, wobei
- der Auskoppelkopf zur Positionierung und Halterung eines Lichtaustrittsendes des
Lichtleiters ausgebildet ist,
- der faseroptische Lichtleiter an seinem
Lichteintrittsende zur Ankopplung an eine
zugeordnete Anregungslichtquelle ausgebildet ist, - das Lichtaustrittsende des Lichtleiters zur
Abgabe von Anregungslicht in vorgegebener
Strahlrichtung eingerichtet ist, und wobei
- das Trägerelement eingerichtet ist zum Haltern eines Konverters,
- das Trägerelement Mittel zum Verbinden mit dem
Auskoppelkopf derart umfasst, dass
- der Konverter in Strahlrichtung des aus dem Lichtaustrittsende des Lichtleiters austretenden Anregungslichtes liegt, und dabei geneigt zur Strahlrichtung des Anregungslichtes angeordnet ist, wobei
- ein vordefinierter Abstand zwischen dem
Mittelpunkt des Konverters und dem
Lichtaustrittsende des Lichtleiters gegeben ist, und wobei
- der Konverter der Konversion des kurzwelligeren Anregungslichtes in das langwelligere Konversionslicht und der Emission des gemischten Nutzlichtes dient.
Der Lichtleiter bzw. der faseroptische Lichtleiter kann ein mit einem Stecker versehenes Lichteintrittsende zur
Ankopplung an eine zugeordnete Anregungslichtquelle
aufweisen. Der Auskoppelkopf sorgt dafür, dass das
Lichtaustrittsende des Lichtleiters das kurzwelligere
Anregungslicht auf den Leuchtfleck richtet, der sich auf der Oberfläche des Konverters befindet. Der Auskoppelkopf umfasst eine Aufnahme zur Halterung und Fixierung des
Lichtaustrittsendes der Lichtleitfaser. Ferner ist er dazu ausgebildet, fest mit dem Trägerelement verbunden werden zu können .
Das kurzwelligere Anregungslicht dringt zum größten Teil m den Konverter ein und wird dort in langwelligeres
Konversionslicht umgewandelt, das zusammen mit gestreutem Anregungslicht in einem nutzbaren Abstrahlwinkel al s
Nutzlicht emittiert wird, während störend reflektiertes Anregungslicht (der sogenannte Fresnel-Reflex) von einer Lichtblende aufgefangen und unschädlich gemacht werden kann. Im Falle eines Autoscheinwerfers wird das Nut zlicht an einen Parabolspiegel abgegeben.
Ausgehend von dem Konverter breitet sich das Nutzlicht in einem Bereich eines nutzbaren Abstrahlwinkels von dem
Konverter aus. Dabei wird das Nutzlicht kegelförmig von dem Leuchtfleck aus abgestrahlt. Der sich hieraus ergebende Öffnungswinkel des Lichtkegels beträgt wenigstens 50°, bevorzugt wenigstens 60° und besonders bevorzugt wenigstens 70° . Weiterhin ist zum Haltern des Konverters ein Trägerelement vorgesehen. Das Trägerelement mit dem Konverter ist bei einer bevorzugten Ausführungsform baulich getrennt von dem Auskoppelkopf. Zur Montage des Konversionsmoduls sind das Trägerelement und/oder der Auskoppelkopf derart
ausgebildet, dass sie fest miteinander verbunden werden können. Hierzu können das Trägerelement und/oder der
Auskoppelkopf geeignete Mittel für eine feste Verbindung aufweisen, etwa eine Ausnehmung und eine passgenau
gegengleich ausgebildete Aufnahme, um eine hochpräzise, feste Verbindung zu schaffen. Zur Unterstützung der exakten Positionierung können ferner Justierhilfen, etwa ein
Anschlag oder Positionierstifte, vorgesehen sein. Die exakte Ausrichtung von Auskoppelkopf und Trägerelement in montierter Position ist von hoher Bedeutung, um das
Anregungslicht punktgenau auf den Konverter abzustrahlen.
So kann der Auskoppelkopf in einer bevorzugten
Ausführungsform rotationssymmetrisch zapfenförmig
ausgebildet sein und in eine passgenau gegengleiche Bohrung des Trägerelements eingesteckt werden. Vorzugsweise wird eine enge Toleranz der Passung ausgewählt, bei der mit geringem Druck der Auskoppelkopf gefügt werden kann.
Die Trennung in ein Trägerelement, welches den Konverter umfasst und haltert, sowie einen Auskoppelkopf, welcher zur Halterung und Fixierung der Lichtleitfaser ausgebildet ist, bietet mehrere Vorteile, insbesondere gegenüber Lösungen, bei denen die Halterung der Lichleitfaser und des
Konverters auf einem gemeinsamen Trägerelement vorgesehen sind . So können vorliegend die Auskoppelköpfe in großen
Stückzahlen vergleichsweise einfach und kostengünstig gefertigt werden, welche dann nachfolgend mit dem
Trägerelement verbunden werden. Das Trägerelement und/oder der Auskoppelkopf können daher auch bereits ein Teil einer Beleuchtungseinrichtung oder als Teil einer
Beleuchtungseinrichtung ausgebildet sein.
Der Auskoppelkopf mit der Lichtleitfaser oder der
Lichtleiter können auch, etwa aufgrund eines Bruches der Lichtleitfaser nach dem Einbau in der
Beleuchtungseinrichtung oder nach längerem Betrieb oder aufgrund einer sonstigen Störung im Bereich der
Lichtleitfaser, einfach ausgebaut und ersetzt werden.
Derartige Defekte können beispielsweise bei der Verwendung des Konversionsmoduls in einem Autoscheinwerfer auftreten, wo es häufig zu Rüttelbelastungen kommen kann. Die bauliche Trennung erleichtert also nicht nur die Fertigung und die Montage, sondern auch die Wartung und den Austausch von Bauteilen .
Durch die bauliche Trennung ist es ferner möglich, für das Trägerelement andere Materialien als für den Auskoppelkopf zu verwenden. Dies kann vorteilhaft sein, da der Konverter während des Betriebs eine große Wärme erzeugt. Hierdurch kann es zu Beschädigung der Lichtleitfaser kommen.
Das Trägerelement kann hierzu vorteilhaft aus einem
temperaturstabilen Sintermaterial, etwa einem metallischen Sintermaterial, gefertigt werden. Es derartiges Material verhält sich im Allgemeinen unkritisch bei hohen Temperaturbelastungen, wie sie bei dem Betrieb des
Konverters entstehen können. Zudem ist auch die hieraus folgende thermische Ausdehnung des Trägermaterials eher gering, so dass eine temperaturbedingte Änderung der
Leuchtcharakteristik aufgrund veränderten Abstands zwischen Lichtleiter und Konverter infolge Wärmedehnung weitgehend vermieden werden kann.
Das Trägerelement kann auch in dem als Aufnahme des
Konverters vorgesehenen Bereich als Wärmesenke ausgebildet sein, also eine wärmeableitende Funktion übernehmen. Ebenso kann das Trägerelement auch einen Kühlkörper zur Aufnahme des Konverters in wärmeleitender und mechanisch fester Verbindung umfassen. Das Trägerelement ist demnach so gestaltet, dass im Konverter erzeugte Wärme über das
Trägerelement abgeführt und dissipiert werden kann. Durch die bauliche Trennung kann die Wärmeübertragung auf den Auskoppelkopf und/oder die Lichtleitfaser reduziert werden, so dass eine geringere Gefahr besteht, dass die
Lichtleitfaser im Betrieb Schaden nimmt.
Zudem entfällt die Problematik, das aus mehreren
Lichtaustrittsenden austretende Licht in beengten
Platzverhältnissen zu bündeln und auf einen gemeinsamen Leuchtfleck auf der Konverteroberfläche zu konzentrieren. Hierzu müssen die verschiedenen Lichtleitfasern im
Allgemeinen mit einem Schrägschliff an ihren
Lichtaustrittsenden versehen werden, welcher zudem von der konkreten Anordnung der einzelnen Lichtleitfaser abhängen kann. Dies macht die Herstellung vergleichsweise
kompliziert und kostenintensiv. Zur Führung und Halterung der Lichtleitfaser in dem
Auskoppelkopf können unterschiedliche Maßnahmen ergriffen werden. So ist vorzugsweise der Auskoppelkopf mit einer Bohrung versehen, durch die die Lichtleitfaser
hindurchgeführt werden kann. Zweckmäßigerweise weist der
Auskoppelkopf ein Einsatzteil, vorzugsweise eine Hülse auf, in welchem das Lichtaustrittsende der Lichtleitfaser fixiert und gehaltert werden kann. Der Innendurchmesser der Hülse ist passgenau gegengleich zu dem Außendurchmesser der Lichtleitfaser ausgelegt, vorzugsweise mit ebenfalls sehr geringer Toleranz, um eine präzise Positionierung der
Lichtleitfaser zu ermöglichen. Der Innendurchmesser des Einsatzelements ist auf den Außendurchmesser des
Lichtleiters abgestimmt und kann in einem Bereich von 0,1 mm bis 0,5 mm liegen, bei einer maximalen Abweichung von höchstens +/- 0,1 mm, bevorzugt höchstens +/- 0,05 mm und besonders bevorzugt höchstens +/- 0,02 mm. Für einen
Lichtleiter mit einem Außendurchmesser von 0,34 mm liegt der Innendurchmesser des Einsatzelements vorzugsweise bei 0,35 mm .
Hierdurch können die erforderlichen sehr engen Toleranzen in der Positionierung des Lichtaustrittsendes eingehalten werden. Das Einsatzelement sollte zudem eine Mindestlänge aufweisen, um eine entsprechende knicklose, achsparallele
Führung des Lichtaustrittsendes derart zu ermöglichen, dass das Anregungslicht exakt in Strahlrichtung austritt. Ferner ist das Lichtaustrittsende vorzugsweise mit einer plan polierten Fläche senkrecht zur Längsachse ausgebildet, um das Anregungslicht in Strahlrichtung auszukoppeln. Auf diese Weise lässt sich eine sehr gute radiale
Ausrichtung und Positionierung der Lichtleitfaser in Bezug zu dem Konverter erreichen, wenn der Auskoppelkopf mit dem Trägerelement verbunden ist.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind ferner Mittel vorgesehen, um eine nachträgliche axiale Ausrichtung des Lichtaustrittsendes der Lichtleitfaser in Bezug auf den Konverter zu ermöglichen. Ausgehend von einem
vordefinierten Abstand zwischen Lichtaustrittsende und
Konverter, der typischerweise in einem Bereich von etwa 1 bis 10 mm liegt, kann dieser Abstand dann in einem
bestimmten Bereich, vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 mm bis zu 5 mm, verändert werden. Hierdurch ist es möglich, eine exakte axiale Positionierung der Lichtleitfaser in Bezug auf den Konverter vorzunehmen. Dies kann günstig sein, wenn etwa der Lichtleiter ausgetauscht werden muss und ein anderer Lichtleiter mit leicht abweichenden
optischen Eigenschaften zum Einsatz kommt, der eine
entsprechend geänderte Positionierung in Bezug auf den
Konverter erfordert, um das gleiche Nutzlicht zu erhalten.
So kann beispielsweise das Einsatzelement fest mit dem Lichtaustrittsende verbunden werden, etwa mittel Klemmen oder Kleben, und dann in den Auskoppelkopf eingefügt werden. Nach erfolgter Montage kann es in axialer Richtung bewegt werden, bevor es festgelegt wird, etwa mittels
Kleben. In einer anderen Ausführungsform kann das Ende der Lichtleitfaser axial in dem Einsatzelement bewegt werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der
Auskoppelkopf bereits mit einem Reflektor oder als Teil eines Reflektors ausgebildet, In dieser Ausführungsform umfasst er eine Zuführung für den Lichtleiter sowie eine Öffnung, in der der Konverter des Trägerelements angeordnet ist. Aus dem Lichtleiter aust etendes Anregungslicht kann dann nach erfolgter Montage a f den Konverter auftreffen.
In einem nochmals weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe, einen Konverter-Kühlkörperverbund bereitzustellen, gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung eines Konverter- Kühlkörperverbunds mit einem optischen Konverter zur zumindest teilweisen Umwandlung von Licht einer ersten Wellenlänge in Licht einer zweiten Wellenlänge, und einem Kühlkörper, bei welchem vorzugsweise zumindest Teile der Oberfläche des optischen Konverters unmittelbar mit einer metallhaltigen Beschichtung beschichtet sind, wobei die metallhaltige Beschichtung die Wärme aus dem Konverter in den Kühlkörper ableiten kann, der Kühlkörper über eine metallische Lotverbindung mit dem optischen Körper,
insbesondere mit der metallhaltigen Beschichtung, verbunden wird und bei welchem der Kühlkörper und/oder der optische Konverter mit einer weiteren Lotverbindung mit einer weiteren Baugruppe verbunden werden.
Hierdurch wird der Konverter- Kühlkörperverbund zu einer selektierbaren Einheit, da erst nach Herstellung der zweiten Lotverbindung weitere Baugruppen mit dieser Einheit verbunden werden und entsteht auch eine äußerst
vorteilhafte Struktur nach Herstellung der zweiten
Lotverbindung .
Durch Verwendung von zwei metallischen Verbindungen , der ersten und der zweiten Lotverbindung, wird hervorragende Wärmeleitfähigkeit bereitgestellt, denn die metallische Lotverbindung weist einen zumindest gegenüber dem
keramischen Material des optischen Konverters nur geringen thermischen Widerstand auf.
Ferner kann durch die unterschiedlichen Schmelztemperaturen Tsl und Ts2 eine weitere Justierung, auch nach Herstellung beider Lotverbindungen erfolgen, welches beispielsweise Reflexionswinkel vorteilhaft beeinflussen kann. Hierzu kann die Baugruppe mit dem Konverter-Kühlkörperverbund auf eine Temperatur von höher als Ts2 jedoch niedriger als Tsl erwärmt werden, wodurch der Konverter-Kühlkörperverbund nun neu positionierbar wird und in der neu positionierten und damit besser justierten Position durch Abkühlen zumindest der zweiten Lotverbindung unter Ts2 mechanisch festgelegt werden .
Vorteilhaft umfasst dabei die zweite Lotverbindung ein Lot, welches einen niedrigeren Schmelzpunkt Ts2 aufweist als der Schmelzpunkt Tsl des Lots der ersten Lotverbindung.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird zunächst die erste Lotverbindung, vorzugsweise bei einer Temperatur von höher oder gleich Tsl, hergestellt und danach die zweite Lotverbindung. Hierbei kann die zweite Lotverbindung auch während des Abkühlens direkt nach der ersten Lotverbindung hergestellt werden, wenn
beispielsweise eine zeitlich definierte „Abkühlrampe" gefahren wird und die Baugruppen entsprechend im Zustand einer „Vorj ustierung" „vorpositioniert" sind. Auch dann sind nachträgliche Justierungen noch möglich, wenn beispielsweise nicht alle Baugruppen nach Herstellung der beiden Lotverbindungen korrekt justiert sind, kann, soweit jeweils nötig, nochmals eine Erwärmung auf über Ts2 vorgenommen werden, welche zumindest langzeitig unter Tsl verbleiben sollte, sodass die erste Lotverbindung nicht mehr gelöst wird, jedoch die zweite erweicht und die jeweils nötige oder vorteilhafte Nachjustierung erlaubt. Generell ist es vorteilhaft, wenn die zweite Lotverbindung bei einer Temperatur hergestellt wird, welche höher ist als Ts2 und dauerhaft Tsl nicht überschreitet, sodass zumindest während der Herstellung der zweiten Lotverbindung die erste Lotverbindung nicht derart geschwächt wird, dass die
Anordnung des optischen Konverters relativ zum Kühlkörper merklich verändert wird.
Der Begriff „Merklich verändert" bezeichnet hierbei eine relative Lageänderung von optischem Konverter relativ zum Kühlkörper, welche über die durch thermische Ausdehnung bedingte relative Lageänderung messbar hinausgeht.
Ein besonders spannungsfreier Konverter-Kühlkörperverbund ergibt sich, wenn zur Herstellung der jeweiligen
Lotverbindung ein Erwärmen der Anordnung mit zumindest einem optischen Konverter und zumindest einem Kühlkörper durch Einbringen in einen Ofen mit einer Temperatur
oberhalb von Tsl oder Ts2 erfolgt, wobei die
Mindestaufenthaltsdauer der Anordnung aus zumindest einem optischen Konverter und zumindest einem Kühlkörper im Ofen die Einstellung eines Temperaturgleichgewichts gestattet. Bei diesem Temperaturgleichgewicht sollen sich die
jeweiligen Temperaturen des optischen Konverters, des
Kühlkörpers, der Lote sowie der weiteren Baugruppen um jeweils weniger als 5 K unterscheiden. Durch die von thermischen Spannungen besonders freie Anordnung, ergibt sich ein auch bei thermischer Belastung günstiges
Verhalten .
Bevorzugt kann zur Herstellung der jeweiligen Lotverbindung ein Erwärmen der Anordnung mit zumindest einem optischen Konverter und zumindest einem Kühlkörper insbesondere auch durch lokales Erwärmen, insbesondere durch einen
mechanischen Wärmekontakt vorgenommen werden,
beispielsweise durch Kontakt mit einem vorzugsweise
thermisch gesteuerten Heizelement, somit durch Kontakt mit einem erwärmten Körper, beispielsweise einem erwärmten monolithischen Körper eines faseroptischen Auskoppelkopfes, welcher bereits vorpositionierte Baugruppen trägt und beispielsweise selbst induktiv erwärmt wird.
Hierdurch ist ein zügiger und genau dosierter Wärmeeintrag möglich, welcher insbesondere für die Fertigung zeitlich vorteilhaft und thermisch sehr präzise sein kann .
Alternativ oder zusätzlich kann zur Herstellung der
jeweiligen Lotverbindung ein Erwärmen der Anordnung mit zumindest einem optischen Konverter und zumindest einem Kühlkörper auch durch lokales Erwärmen, insbesondere durch Strahlung, fokussierte thermische Strahlung,
Laserstrahlung, insbesondere auch gepulste Laserstrahlung erfolgen . Wenn zur Herstellung der jeweiligen Lotverbindung ein
Erwärmen der Anordnung mit zumindest einem optischen
Konverter und zumindest einem Kühlkörper sowie vorzugsweise einer weiteren optischen Baugruppe bei vermindertem
Umgebungsdruck erfolgt und insbesondere verminderter
Umgebungsdruck herrscht, bis die jeweilige Lotverbindung hergestellt ist, ergibt sich hierdurch eine besonders lunkerfreie und homogene Lotverbindung, bei welcher auch Unebenheiten der Oberfläche des optischen Konverters, des Kühlkörpers sowie der weiteren Baugruppe besser benetzt und somit durch die Lotverbindung vollständiger verbunden werden können.
Die Angabe, dass die „Lotverbindung hergestellt ist" bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die jeweilige
Schmelztemperatur Tsl und/oder Ts2 so lange unterschritten wurde, bis sich das jeweilige Lot verfestigt hat, dies bedeutet jeweils eine Festigkeit von mehr als 50% der
Raumtemperatur-Zugfestigkeit dieses Lots hat, wobei
Raumtemperatur etwa 300 K betragen soll.
Durch Austrag verbleibender Luftanteile oder Lunker im geschmolzenen Lot ist eine präzisere Fertigung,
insbesondere vorpositionierter Baugruppen, möglich, welches mit geringeren Verlusten durch Baugruppen, die nach deren Fertigung nicht innerhalb des Toleranzfeldes liegen, einhergeht .
Vorteilhaft liegt der Schmelzpunkt Tsl bei 250 °C bis 450 °C, bevorzugt bei 280 °C bis 320 °C sowie besonders
bevorzugt bei etwa 300 °C. Ebenfalls vorteilhaft liegt der Schmelzpunkt Ts2 bei der Schmelzpunkt Ts2 bei 150 °C bis 245 °C, bevorzugt bei 180 °C bis 230 °C sowie besonders bevorzugt bei etwa 220 °C. Durch diese Wahl der Schmelzpunkte Tsl und Ts2 lassen sich fertigungstechnisch sichere und zügige Abläufe realisieren, wobei geringere Temperaturdifferenzen der Schmelzpunkte aufgrund schnellerer Erwärmung und Abkühlung zügigere
Fertigungsabläufe gestatten und größere
Temperaturdifferenzen höhere Fertigungssicherheit mit sich bringen .
Wenn eine Vielzahl von optischen Konvertern auf zumindest einem Kühlkörper angebracht und vorzugsweise gemeinsam erwärmt wird, kann hiermit die Serienfertigung vorteilhaft unterstützt werden, da dabei dann die jeweilige
Lotverbindung bereits für diese Vielzahl optischer
Konverter hergestellt werden kann. Vorteilhaft kann dabei der optische Konverter jeweils von am Kühlkörper
angebrachten Halterungen im Wesentlichen korrekt
positioniert und in vielen Fällen in Bezug auf weitere Baugruppen auch bereits korrekt justiert aufgenommen werden . Nach Herstellen, beispielsweise der ersten Lotverbindung kann von dem zumindest einen Kühlkörper wenigstens ein Teil abgetrennt werden, welches zumindest einen optischen
Konverter trägt und einen Konverter-Kühlkörperverbund mit diesem bildet und dieses der weiteren Fertigung zugeführt werden. Vorteilhaft kann dabei die Abtrennung entlang einer vordefinierten und mechanisch geschwächten Linie innerhalb des Kühlkörpers vorgenommen werden. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird ein Konverter-Kühlkörperverbund, insbesondere wie vorstehend und nachfolgend detaillierter beschrieben, an einem
Auskoppelkopf eines faseroptischen Konversionsmoduls befestig .
Wenn bei der industriellen Fertigung zumindest ein Anteil einer Vielzahl von optischen Konvertern zusammen mit weiteren Baugruppen auf eine Temperatur niedriger als Tsl jedoch höher als Ts2 gebracht werden, und vorzugsweise die Lage des Verbundes aus optischem Konverter und Kühlkörper relativ zu weiteren Baugruppen, insbesondere relativ zu Baugruppen eines Auskoppelkopfes eines faseroptischen
Konversionsmoduls geprüft wird, kann hierauf basierend ein Binning, somit eine Selektion bereits während der Fertigung stattfinden und können darüber hinaus weitere mechanische Justierungen vorgenommen werden. Eine dieser Justierungen kann die Justierung des Abstands des optischen Konverters beispielsweise zu Fasern sein, aus welchen Anregungslicht austritt. Hierdurch können aufgrund der Strahlungskeule, welche das Anregungslicht nach Austritt aus der Faser bildet, auch Lichtfleckgrößen des Anregungslichtes auf dem optischen Konverter eingestellt werden.
Vorteilhaft wird durch die Erfindung auch ein Konverter- Kühlkörperverbund bereitgestellt, umfassen einen optischen Konverter zur zumindest teilweisen Umwandlung von Licht einer ersten Wellenlänge in Licht einer zweiten
Wellenlänge, vorzugsweise eine metallhaltige,
reflektierende Beschichtung, sowie einen Kühlkörper, wobei vorzugsweise zumindest Teile der Oberfläche des optischen Konverters unmittelbar mit der metallhaltigen Beschichtung beschichtet sind, die metallhaltige Beschichtung die Wärme aus dem Konverter in den Kühlkörper ableiten kann, der Kühlkörper über eine metallische Lotverbindung mit dem optischen Körper, insbesondere der metallhaltigen
Beschichtung verbunden ist und der Kühlkörper und/oder der optischen Konverter mit einer weiteren Lotverbindung mit einer weiteren Baugruppe verbunden ist. Bei diesem Konverter-Kühlkörperverbund kann die zweite
Lotverbindung ein Lot umfassen, welches einen niedrigeren Schmelzpunkt Ts2 aufweist als der Schmelzpunkt Tsl des Lots der ersten Lotverbindung, insbesondere auch, um die
vorstehend beschriebenen Vorteile zu erlangen.
Vorteilhaft ist das erste Lot ein Ag/Au-Lot und kann somit vorzugsweise eine Silber und Gold umfassende Legierung bereitstellen . Vorteilhaft ist das zweite Lot ein Ag/Sn und kann somit vorzugsweise eine Silber und Zinn umfassende Legierung bereitstellen .
Bevorzugt umfasst der Kühlkörper, Stahl-, Aluminium-, Kupfer- und/oder Bronze-Legierungen, welche mit
entsprechenden Loten, gegebenenfalls unter Zugabe von Fluß- und Reinigungsmitteln, gut benetzbar und durch
Lotverbindungen verbindbar sind. Die Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter
Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die
beigeschlossenen Zeichnungen detaillierter beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung von Baugruppen eines
faseroptischen Konversionsmoduls, bei welchem aus zumindest einem Lichtleiter Licht austritt und auf einen optischen Konverter auftrifft, bei dem die Normale der Austrittsfläche der Faser einen von 0° verschiedenen Winkel relativ zur
Längsachse der Faser aufweist, wobei durch die Einstellung des Winkels die Lage des Leuchtflecks auf dem Konverter justierbar ist,
Figur 2 eine Prinzipdarstellung von unter verschiedenen
Winkeln auf einen optischen Konverter
auftreffenden Lichtstrahlen zusammen mit Abschattungsgrenzen des optischen Strahlengangs für aus dem Konverter austretendes Nutzlicht,
Figur 3 die durch die Ablenkung des Haupt- oder
Zentralstrahls des aus der Faser austretenden Lichtes bei geneigter Austrittsfläche entstehende Auswanderung bei einer sich unter einem Winkel erstreckenden Austrittsfläche der Faser als
Funktion des Winkels ,
Figur 4 die in Figur 1 gezeigte Prinzipdarstellung von
Baugruppen eines faseroptischen
Konversionsmoduls, bei welcher zusätzlich zu den in Figur 1 gezeigten Baugruppen Vorrichtungen zur
Bearbeitung der Austrittsfläche der Faser mit dargestellt sind, Figur 5 eine in deren Halterung angeordnete optische Faser, bei welcher trotz Entfernung von deren äußeren, auch als Cladding bezeichneten
Fasermänteln Kontaminationsreste auf der Faser verblieben sind,
Figur 6 eine in deren Halterung angeordnete optische
Faser, bei welcher ohne Entfernung von deren äußeren Fasermänteln mittels Laserlicht
Bestandteile der Faser materialabtragend bearbeitet wurden und die Austrittsfläche der
Faser unter einem Winkel eingestellt wurde,
Figur 7 eine in deren Halterung angeordnete optische
Faser, bei welcher nach Entfernung von deren äußeren Fasermänteln mittels Laserlicht
Bestandteile der Faser materialabtragend bearbeitet wurden und die Austrittsfläche der Faser unter einem Winkel eingestellt wurde,
Figur 8 eine weitere, in deren Halterung angeordnete optische Faser, bei welcher ohne Entfernung von deren äußeren Fasermänteln mittels Laserlicht
Bestandteile der Faser materialabtragend bearbeitet wurden und die Austrittsfläche der Faser unter einem Winkel eingestellt wurde,
Figur 9 eine dreidimensional dargestellte Aufsicht auf den faseroptischen Auskoppelkopf eines faseroptischen Konversionsmoduls einer ersten Ausführungsform von schräg oben her gesehen,
Figur 10 eine horizontal verlaufende, dreidimensionale
Schnittdarstellung des in Figur 8 gezeigten Auskoppelkopfes, welche durch die Mitte des faseroptischen Auskoppelkopfes und durch die Mitte der Faser des faseroptischen
Konversionsmoduls verläuft,
Figur 11 eine Aufsicht auf ein dreidimensional
dargestelltes Element einer Lichtfalle des in Figur 9 dargestellten faseroptischen
Auskoppelkopfes ,
Figur 12 eine dreidimensional dargestellte Aufsicht auf den Auskoppelkopf eines faseroptisches
Konversionsmoduls einer zweiten Ausführungsform mit aus diesem austretenden Nutzlicht von schräg oben her gesehen,
Figur 13 eine dreidimensional dargestellte Aufsicht auf
Einen monolithischen Körper des in Figur 12 dargestellten Auskoppelkopfs des faseroptischen Konversionsmoduls der zweiten Ausführungsform von schräg oben her gesehen, jedoch ohne in oder an diesem gehaltener Faser und ohne an diesem gehaltenem optischen Konverter,
Figur 14 eine Photographie des in Figur 11 dargestellten faseroptischen Auskoppelkopfes, bei welcher dieser in einer Prüfanordnung gehalten ist, schräg oben von der Seite her gesehen, Figur 15 eine Photographie des in Figur 11 dargestellten faseroptischen Auskoppelkopfes, bei welcher dieser in einer Prüfanordnung gehalten ist, schräg von vorn oben gesehen,
Figur 16 eine typische Helligkeitsverteilung des
Leuchtflecks auf dem optischen Konverter, so wie diese durch das aus der Faser austretende und auf den optische Konverter auftreffende Licht bei den vorstehend und nachfolgend gezeigten Ausführungsformen entsteht, zusammen mit einer Längenskala,
Figur 17 eine dreidimensional dargestellte Aufsicht auf den Auskoppelkopf eines faseroptisches Konversionsmoduls einer dritten Ausführungsform von schräg oben her gesehen,
Figur 18 eine horizontal verlaufende, dreidimensionale
Schnittdarstellung des in Figur 17 gezeigten faseroptischen Auskoppelkopfs, welche durch die Mitte des Auskoppelkopfs und durch die Mitte der
Faser des faseroptischen Konversionsmoduls verläuft ,
Figur 19 eine Aufsicht auf ein dreidimensional
dargestelltes Element einer Lichtfalle des in den Figuren 17 und 18 dargestellten faseroptischen
Auskoppelkopfs ,
Figur 20 eine dreidimensional dargestellte Aufsicht auf den faseroptischen Auskoppelkopf eines faseroptischen Konversionsmoduls einer vierten Ausführungsform von schräg oben her gesehen,
Figur 21 eine horizontal verlaufende, zweidimensionale
Schnittdarstellung des in Figur 20 gezeigten faseroptischen Auskoppelkopfs, welche durch die Mitte des faseroptischen Auskoppelkopfs und durch die Mitte der Faser des faseroptischen
Konversionsmoduls verläuft,
Figur 22 eine Detailansicht aus der in Figur 20 gezeigten
Aufsicht auf den faseroptischen Auskoppelkopf der vierten Ausführungsform,
Figur 23 einen Längsschnitt eines faseroptischen
Konversionsmoduls in einem ersten
Ausführungsbeispiel , Figur 24 eine Schrägansicht eines faseroptischen
Konversionsmoduls in einem weiteren
Ausführungsbeispiel ,
Figur 25 einen Konverter-Kühlkörperverbund zusammen mit einer weiteren Baugruppe einer ersten bevorzugten
Ausführungsform in einer dreidimensionalen
Schnittdarstellung von vorn von einem leicht erhöhten Blickpunkt aus gesehen, wobei die weitere Baugruppe der monolithische Körper eines Auskoppelkopfes eines faseroptischen
Konversionsmodul ist,
Figur 26 eine Baugruppe eines Auskoppelkopfes eines
faseroptischen Konversionsmodul, in welcher der in Figur 1 gezeigte Konverter-Kühlkörperverbund durch eine zweite Lotverbindung gehalten ist, in einer dreidimensionalen Schnittdarstellung von vorn von einem leicht erhöhten Blickpunkt aus gesehen,
Figur 27 eine horizontal verlaufende, dreidimensionale
Schnittdarstellung des in Figur 3 gezeigten
Auskoppelkopfes einer ersten Ausführungsform, welche durch die Mitte des faseroptischen
Auskoppelkopfes und durch die Mitte der Faser des faseroptischen Konversionsmoduls verläuft,
Figur 28 eine horizontal verlaufende, dreidimensionale
Schnittdarstellung des in Figur 3 gezeigten
Auskoppelkopfes einer zweiten Ausführungsform, welche durch die Mitte des faseroptischen
Auskoppelkopfes und durch die Mitte der Faser des faseroptischen Konversionsmoduls verläuft,
Figur 29 eine horizontal verlaufende, dreidimensionale Schnittdarstellung des in Figur 3 gezeigten
Auskoppelkopfes einer dritten Ausführungsform, welche durch die Mitte des faseroptischen
Auskoppelkopfes und durch die Mitte der Faser des faseroptischen Konversionsmoduls verläuft, und Figur 30 einen Konverter-Kühlkörperverbund, bei welchem eine Vielzahl von optischen Konvertern auf zumindest einem Kühlkörper angebracht sind, sodass diese gemeinsam mit dem zumindest einen Kühlkörper erwärmt werden können.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen bezeichnen gleiche
Bezugszeichen in den verschiedenen Ausführungsformen jeweils gleiche oder gleichwirkende Baugruppen. Soweit wesentliche funktionale Abweichungen vorliegen, werden diese jeweils unter Bezugnahme auf die betroffene
Ausführungsform und Baugruppe detaillierter erläutert.
Zunächst wird auf Figur 1 Bezug genommen, welche eine
Prinzipdarstellung von Baugruppen eines faseroptischen Konversionsmoduls 1 zeigt, bei welchem aus zumindest einem Lichtleiter 2 Licht austritt und auf einen optischen
Konverter 3 auftrifft.
In dem als optischem Faserwellenleiter 4 ausgebildeten Lichtleiter 2, welcher nachfolgend abkürzend nur noch als Faser 4 bezeichnet werden wird, ist Anregungslicht 5 von einer in den Figuren nicht dargestellten Lichtquelle, beispielsweise einer Laserlichtquelle, in bevorzugter Weise einer Laserdiode, geführt, welches im blauen oder nahen ultravioletten Spektralbereich des optischen Spektrums liegen kann. Im optischen Konverter 3 führt dieses Licht zur Anregung der darin eingebetteten Leuchtstoffe, welche mit einer längeren Wellenlänge, die in typischer Weise im gelben Spektralbereich des optischen Spektrums liegt, Nutzlicht emittieren, welchem durch Streuung im optischen Konverter ein Teil des Anregungslichtes überlagert ist. Durch den Anteil des gestreuten Anregungslichtes kann zusammen mit dem durch die Leuchtstoffe des optischen Konverters
emittierten Licht ein weißer Farbeindruck des Nutzlichtes erweckt werden, welcher durch die Wahl der Leuchtstoffe sowie der Einstellung des Streuverhaltens des optischen Konverters definiert einstellbar ist.
Bei dem in Figur 1 dargestellten Konversionsmodul weist die Normale 6 der Austrittsfläche 7 der Faser 4 einen von 0° verschiedenen Winkel relativ zur Längsachse 8 der Faser 4 auf. Hierbei breitet sich das Anregungslicht 5 in der Faser 4 im Wesentlichen in Richtung von deren Längsachse 8 aus und definiert beim Austreten aus der Faser 4 eine der effektiven numerischen Apertur entsprechende Lichtkeule, welche beispielsweise in Figur 21 und 22 gut zu erkennen ist, jedoch in Figur 1 nur mit deren Hauptstrahl 9
wiedergegeben ist, welcher in der Faser 4 im Wesentlichen parallel zu deren Längsachse 8 verläuft und beim Austreten aus der Faser 4 an deren Austrittsfläche 7 gebrochen wird, wodurch sich dieser dann unter einem Winkel γ relativ zur Längsachse 8 der Faser 4 weiter ausbreitet. Durch die Einstellung des Winkels ist, wie nachfolgend detaillierter erläutert, die Lage des Leuchtflecks 10, welcher in Figur 1 schematisch um den Hauptstrahl 7 verlaufend angedeutet ist, auf dem optischen Konverter 3 justierbar.
Bei nachfolgenden Erläuterungen bezeichnet Δχ die
Auswanderung, welche durch Brechung des Hauptstrahls an der geneigten Austrittsfläche 7 entsteht. Diese Auswanderung Δχ ist gegenüber einer verlängerten Längsachse 8 der Faser 4 dargestellt, welches der Auswanderung relativ zu einem an der Austrittsfläche 7 nicht in seiner Ausbreitungsrichtung geänderten Hauptstrahl entspricht. Der aus der Faser 2 austretende Hauptstrahl 7 erleidet eine dem Snelliusschen Brechungsgesetz entsprechende und, wie vorstehend erwähnt, durch Brechung entstandene Änderung seiner Ausbreitungsrichtung, welche nachfolgend auch als Ablenkung bezeichnet wird, welche zur Auswanderung ΔΧ führt und sich wie folgt berechnen lässt:
Sin Oi / Sin ß = nLuft / nFaserkern wobei
der Neigungswinkel der Normalen 6 der
Austrittsfläche 7 der Faser 4 relativ zur Längsachse der Faser 4 ist,
ß die Neigung der Ausbreitungsrichtung des
gebrochenen Hauptstrahls 9 nach dem Austritt aus der Faser 4 relativ zur Normalen 6 der
Austrittsfläche 7 ist,
nmft der Brechungsindex von Luft ist riFaserkern der Brechungsindex des Faserkerns
Faser 4 ist.
Ferner ergibt sich, wie aus Figur 1 zu erkennen ist, für die Neigung γ der Ausbreitungsrichtung des Hauptstrahls 9 gegenüber der Längsachse 8 der Faser 4 nach dessen Austritt aus der Faser 4 : γ = ß -
Hieraus lässt sich bei bekanntem geometrischem Abstand a des Austrittspunktes des Hauptstrahls 9 aus der Faser 4 zum optischen Konverter 3 die Auswanderung ΔΧ wie folgt
berechnen :
ΔΧ = a * tan γ
Dieser Abstand a ist der geometrische Abstand und wird unterschieden vom optisch wirksamen Abstand, welcher den Abstand des Austrittspunktes des Hauptstrahls 9 aus der
Faser 4 zum optischen Konverter 3 bezeichnet. Soweit nichts anderes angegeben wird in der vorliegenden Beschreibung sowie den Ansprüchen jeweils der optische wirksame Abstand abkürzend als Abstand bezeichnet, da dieser optisch
wirksame Abstand im Wesentlichen dem Weg des aus der Faser 4 austretenden Lichts bis zum optischen Konverter 3
entspricht und folglich durch die Länge der sich dabei ausbildenden Lichtkeule auch die Größe des Lichtflecks 10 auf dem optischen Konverter 3 definiert. In Figur 3 ist für eine Faser 4 mit einem Brechungsindex des lichtführenden Faserkerns von n = 1,5 ΔΧ als Funktion des Neigungswinkels Austrittsfläche 7 dargestellt. Bei einem Brechungsindex des Faserkerns von 1,5 lassen sich bei einem geometrischen Abstand a von 1000 ym für
Neigungswinkel von 1° bis 30° laterale Auswanderungen ΔΧ von etwa 10 ym bis 340 ym erreichen. Hierbei wurde
angenommen, dass Luft das das faseroptische
Konversionsmodul umgebende Medium ist.
Nachfolgend wird auf Figur 2 Bezug genommen, welche eine Prinzipdarstellung von unter verschiedenen Winkeln auf einen optischen Konverter 3 auftreffenden Lichtstrahlen zusammen mit Abschattungsgrenzen des optischen
Strahlengangs für aus dem Konverter 3 austretendes
Nutzlicht 11 zeigt.
Das Nutzlicht 11 tritt aus dem optischen Konverter 3 innerhalb eines Öffnungskegels 12 aus, von welchem
Randstrahlen 13 und 14 in Figur 2 für zwei verschiedene Faseranordnungen dargestellt sind.
Die lichtführende optische Faser 15 weist eine
Austrittsfläche auf, deren Normale gegenüber der Längsachse der optischen Faser 15 nicht geneigt ist, weshalb sich der Hauptstrahl 16 des aus dieser Faser 15 austretenden Lichts in Richtung der Längsachse dieser Faser 15 ohne Ablenkung weiter ausbreitet. Figur 2 zeigt den maximalen
Öffnungswinkel des Öffnungskegels 12 mit dessen Randstrahl 13, bis zu welchem es durch die Halterung 17 der Faser 15 gerade noch nicht zu Abschattungen des Nutzlichtkegels 12 kommt .
Wird jedoch, wie für den Randstrahl 14 gezeigt, die
Austrittsfläche der Faser geneigt und der aus der Faser austretende Hauptstrahl gebrochen, kann die Halterung einer Faser stärker vom Nutzlichtkegel weg geneigt werden und dieser einen größeren Öffnungswinkel aufweisen, ohne dass es zu Abschattungen kommt.
Dieser Sachverhalt ist für die Faser 18 dargestellt, an deren geneigter Austrittsfläche der Hauptstrahl 19 des aus dieser Faser 18 tretenden Lichts wie vorstehend unter
Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben gebrochen und hierdurch abgelenkt wird. Durch diese Ablenkung kann sowohl die Faser 18 als auch deren Halterung 20 stärker vom Öffnungskegel 12 des Nutzlichts 11 weg geneigt werden und dieser einen größeren Öffnungswinkel ohne Abschattungen gegenüber einer Faser 15 ohne geneigte Austrittsfläche aufweisen.
Hierdurch lässt sich ein höherer Nutzlichtanteil gewinnen und können Abschattungsverluste minimiert oder zumindest vermindert werden. Nachfolgend wird auf Figur 4 Bezug genommen, in welcher die in Figur 1 gezeigte Prinzipdarstellung von Baugruppen eines faseroptischen Konversionsmoduls 1 zu erkennen ist, bei welcher zusätzlich zu den in Figur 1 gezeigten Baugruppen Vorrichtungen zur Bearbeitung der Austrittsfläche 7 der Faser 4 mit dargestellt sind, welche nachfolgend
detaillierter beschrieben werden. Mittels eines optischen Systems 21, welches schematisiert als bikonvexe Linse 22, C02~Laser 23 sowie
Galvanometerscanner 24 mit deren Strahlengängen dargestellt ist, wird das Licht 25 eines Lasers, vorzugsweise eines C02~Lasers, auf die Austrittsfläche 7 der Faser 4 gelenkt.
Hierdurch kann eine Bearbeitung des Fasermaterials der Faser 4 erfolgen, welche materialabtragend dazu führt, dass eine geneigte Austrittsfläche 7 definiert wird, bei welcher sich deren Normale 6 mit einem Winkel relativ zur
Längsachse 8 der Faser 4 erstreckt. Durch die Bewegung des Galvanometerscanners 24 kann der Fokus 26 des Laserlichts 25 definiert an der Stelle positioniert werden, an welcher ein Materialabtrag stattfinden soll.
Mittels einer digitalen Bilderfassungseinrichtung 27 kann dabei die Lage des Leuchtflecks 10 auf dem optischen
Konverter 3 erfasst und an eine nachgeschaltete
Prozesssteuerungseinrichtung 28 weitergeleitet werden, mittels welcher sowohl der C02~Laser 23 als auch der
Galvanometerscanner 24 steuerbar sind.
Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die
materialabtragende Bearbeitung der Faser 4 zur korrekten Neigung von deren Austrittsfläche 7 und somit von deren
Normalen 6 relativ zur Längsachse 8 der Faser 4 führt, bei welcher durch diese Einstellung des Winkels eine lateral korrekt justierte Lage des Leuchtflecks erhalten wird. Bei diesem Vorgang kann auch die Form der Austrittsfläche 7 der Faser 4 optimiert werden. Weist der Leuchtfleck 10 beispielsweise eine zu stark ellipsoide Form auf, kann die Austrittsfläche 7 zylinderlinsenförmig konvex ausgestaltet werden, sodass sich eine mehr kreisförmiger und weniger ellipsoider Leuchtfleck 10 auf dem Konverter 3 ergibt.
Hierbei erstreckt sich die Symmetrieachse der konvexen zylinderartig geformten Austrittsfläche senkrecht zur
Richtung der größeren Hauptachse des Leuchtfleck- Ellipsoids .
Eine einmal optimierte Form der Austrittsfläche 7 kann dann beispielsweise auch auf weitere zu fertigende Baugruppen übertragen werden.
Auf diese Weise können mit Hilfe der Bilderfassungs¬ einrichtung 27 und der Prozesssteuerungseinrichtung 28 nicht nur zylindrische, sondern auch sphärische,
asphärische und auch frei geformte Austrittsflächen 7, insbesondere auch durch sukzessive Optimierung entstehen.
Die Form der Austrittsfläche 7 kann somit nach einer vordefinierten Bearbeitungsgeometrie entstehen oder auch mit Rückkopplung durch Messung des tatsächlichen
Nutzlichtanteils .
Insbesondere bei einer mehrstufigen sukzessiven Bearbeitung ergibt sich insbesondere auch unter Einbeziehung der optischen sowie geometrischen Eigenschaften des tatsächlich verwendeten Konverters 3 und der tatsächlich verwendeten Faser 4 ein deutlich optimierter Nutzlichtanteil, da die Justierung nicht nur in Bezug auf die Lage des Leuchtflecks 10 sondern auch in Bezug auf einen insgesamt verbesserten
Nutzlichtanteil vorgenommen wird und insbesondere auch alle Eigenschaften des optischen Konverters 3 sowie der Faser 4 mit berücksichtig werden können.
Da die Faser 4 vor der Bearbeitung in der Regel keine geneigte Austrittsfläche 7 aufweist, wird die
Austrittsfläche 7 der Faser 4 erst während der Justierung derart bearbeitet, dass sich der Winkel der
Austrittsfläche und/oder die Form der Austrittsfläche 7 wie vorstehend beschrieben ändert.
Dabei kann die Faser 4 während der Justierung bei einer weiteren Ausführungsform materialabtragend zunächst derart bearbeitet werden dass sich eine ebene, sich unter einem einer korrekten Justierung entsprechend eingestellten
Winkel erstreckende Fläche ergibt und danach durch weitere materialabtragende Bearbeitung, insbesondere mit Laserlicht, eine nicht-ebene Formung, insbesondere Wölbung in der Austrittsfläche 7 der Faser 4 erzeugt wird, wodurch der Anteil des aus dem Konverter 3 austretenden Nutzlichtes erhöht wird.
Bei dieser materialabtragenden Bearbeitung kann auch der Abstand der Austrittsfläche 7 der Faser 4 relativ zum optischen Konverter 3 eingestellt, wobei der Abstand der Faser 4 zum optischen Konverter 3 den optisch wirksamen Abstand des Austrittspunktes des Hauptstrahls 9 aus der Faser 4 zum optischen Konverter 3 bezeichnet. Da das aus der Faser 4 austretende Licht einen definierten
Öffnungswinkel aufweist, welcher im Wesentlichen der effektiven numerischen Apertur entspricht, welche durch die Einkopplung, die Fähigkeit der Faser 4 Licht zu leiten und deren Austrittsapertur bestimmt und hierdurch wählbar ist, kann mit der Justierung des Abstands auch die Größe des Leuchtflecks 10 auf dem optischen Konverter 3 geändert und hiermit auch justiert werden. Bei der materialabtragenden Bearbeitung wird der
lichtleitende Kern der Faser 4 und werden vorzugsweise auch deren Mantelstrukturen bearbeitet.
Figur 5 zeigt eine in deren Halterung 29 angeordnete optische Faser 5, bei welcher trotz Entfernung von deren äußeren Fasermänteln, welche auch als Cladding bezeichnet werden, Kontaminationsreste auf dem den lichtleitenden Faserkern umgebenden inneren Fasermantel verblieben sind. An diesem Beispiel wird ein weiterer Vorteil des vorstehend beschriebenen Verfahrens erkennbar, denn diese verbliebenen Kontaminationsreste 30 haben im Wesentlichen keinen
Einfluss auf die Einstellung des Winkels und eine
korrekte Justierung des Leuchtflecks 10.
Durch die materialabtragende Bearbeitung mittels des CO2- Lasers 23 können diese Kontaminationen in der Regel vernachlässigt werden, da diese mit abgetragen werden.
Ferner kann es sogar bei gepulstem Laserbetrieb dazu kommen, dass durch in die Faser eingetragene Vibrationen, welche bei der Verdampfung des Fasermaterials entstehen können, derartige Kontaminationen mit entfernt werden, wie diese beispielsweise der Figur 7 zu entnehmen ist. Diese zeigt ebenfalls eine in deren Halterung 29 angeordnete optische Faser 4, bei welcher mittels Laserlicht
Bestandteile der Faser 4 materialabtragend bearbeitet wurden und die Austrittsfläche der Faser unter einem Winkel eingestellt wurde.
Figur 8 zeigt eine weitere, in deren Halterung angeordnete optische Faser 4, bei welcher ohne Entfernung von deren äußeren Fasermänteln mittels Laserlicht Bestandteile der Faser 4 materialabtragend bearbeitet wurden und die
Austrittsfläche 7 der Faser unter einem Winkel
eingestellt wurde.
Bei den bevorzugten Ausführungsform wird die Faser 4 in deren Halterung 29 festgelegt, wie dies nachfolgend unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen noch detaillierter beschrieben wird, und wird nach deren
Festlegung in der Halterung der Winkel eingestellt und die Lage des Leuchtflecks 10 justiert, obwohl der Winkel auch ohne vorheriges Haltern der Faser 4 eingebracht und die Faser nachträglich in deren Halterung 9 aufgenommen werden kann.
Hierdurch wird zumindest bei den bevorzugten
Ausführungsformen sichergestellt, dass die Lage des
Leuchtflecks 10 auf dem Konverter 3 nach der Justierung bereits der endgültigen Lage entspricht und auch das endgültig fertig gestellte Produkt diese korrekte
Justierung aufweist.
Nachfolgend wird auf Figur 9 Bezug genommen, welche eine dreidimensional dargestellte Aufsicht auf den
faseroptischen Auskoppelkopf 30 eines faseroptischen
Konversionsmoduls 1 einer ersten Ausführungsform von schräg oben her gesehen zeigt. Unter einer Schutzhülle aus Glas 31 ist der optische
Konverter 3 sowie der Halter 29 für die Faser 4 mit darin angeordneter Faser 4 zu erkennen, welcher als längliche Hülse in einem monolithischen Körper 32 angeordnet ist, der sowohl die Faser 4 mit deren Halterung 29 als auch den optischen Konverter 3 trägt.
Eine Lichtfalle 33 ist ebenfalls vom monolithischen Körper 32 gehalten und weist an deren in Figur 9 zu erkennendem Ende ein stopfenförmiges Element 34 auf, welches unter Bezugnahme auf Figur 11 nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird. Mittels einer im monolithischen Körper 32 angeordneten Hülse 35 kann die Faser 4 mechanisch sicher am
Auskoppelkopf 30 gehalten werden.
Eine Passung ist in Form einer rechteckförmigen Ausnehmung 36 an der Unterseite des monolithischen Körpers 32
ausgebildet, welche zusammen mit Schrägen 37, 38 und 39 definierter Abmessung die korrekt positionierte Anbringung des Auskoppelkopfs 30 an weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Baugruppen ermöglicht. Hierdurch kann mit hoher mechanischer Präzision die Position des Leuchtflecks 10 auch in den weiteren, nicht dargestellten Baugruppen genutzt werden und werden sowohl die Passung 36 als auch die Schrägen 37, 38 und 39 mit mechanischen Toleranzen von weniger als 50 ym, bevorzugt mit weniger als 10 ym
gefertigt. Eine weitere, am monolithischen Körper 32 ausgebildete rechteckförmige Ausnehmung 40 ist in Figur 10 zu erkennen, welche eine horizontal verlaufende, dreidimensionale
Schnittdarstellung des in Figur 9 gezeigten Auskoppelkopfes 30 zeigt, welche durch die Mitte des faseroptischen
Auskoppelkopfes 30 und durch die Mitte der Faser 4 des faseroptischen Konversionsmoduls verläuft.
Um der Einfachheit willen ist in Figur 10 nur der Faserkern der Faser 4 gezeigt. Der Durchmesser des lichtleitenden
Kerns der Faser kann bei dieser sowie allen weiteren hier beschriebenen Ausführungsformen generell etwa 3 ym bis 1500 ym, bevorzugt etwa 3,5 ym bis 1000 ym und am bevorzugtesten etwa 50 ym bis 150 ym betragen.
Aus Figur 10 ist zu erkennen, dass die Lichtfalle 33 eine im monolithischen Körper 32 gehaltene Hülse 41 umfasst, welche das Element 34 zumindest teilweise aufnimmt, wobei dieses stopfenförmig in die Hülse 41 eingebracht ist und an dieser Hülse durch eine mechanische Sitzpassung mit
Presssitz, Kleben, Löten oder auch Einschrauben gehalten sein kann. Die Hülse 40 kann in deren Innerem geschwärzt, aufgeraut oder mit in den Figuren nicht dargestellten
Lichtfallen versehen sein, welche sich in der Hülse mit einem Dreiecksprofil radial erstrecken können.
Die Längs- oder Symmetrieachse der Hülse 40 ist auf den Leuchtfleck 10 des optischen Konverters 3 ausgerichtet und erstreckt sich unter einem Winkel, welcher dem
Reflexionswinkel des aus der Faser 4 ausgetretenen und am optischen Konverter 3 reflektierten Anregungslichts
entspricht. Hierdurch wird im Wesentlichen das gesamte, am optischen Konverter 3 reflektierte Anregungslicht von der Hülse 40 der Lichtfalle 33 aufgenommen.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen ist sowohl die Faser 4 in deren Halterung 29 als auch der optische Konverter 3 vor und nach der Justierung im monolithischen Körper 32 angeordnet, welcher bevorzugt durch ein
pulvermetallurgisches Spritzgießverfahren, insbesondere durch ein Metal-Inj ection-Mould-Verfahren (MIM) hergestellt ist und folglich hohe mechanische Festigkeit zusammen mit guter Wärmeleitfähigkeit bereitstellen kann.
Insbesondere Lötverbindungen können zwischen dem optischen Konverter 3, einem Kühlkörper 42 und dem monolithischen Körper 32 für sowohl mechanisch festen Halt als auch gute Wärmeleitfähigkeit sorgen, sodass die Temperatur des optischen Konverters 3 innerhalb der erwünschten
thermischen Grenzen verbleiben. Hierbei kann die
abzugebende Wärme durch den monolithischen Körper 32 auch an die in den Figuren nicht dargestellten weiteren
Baugruppen weiter geleitet werden.
Die Wärmeleitfähigkeit λ des monolithischen Körpers 32 ist zusammen mit dem Kühlkörper 42 größer als 200 W/ (m*K) ist und bevorzugt größer als 350 W/ (m*K) , welches die für den optischen Konverter 3 minimal bereitgestellte
Wärmeleitfähigkeit darstellt, da dieser zusätzlich noch Wärme an das diesen umgebende Medium abgeben, kann, welches in der Regel Luft ist.
Der optische Konverter 3 kann alternativ mit einem Spiegel unterlegt und mit einer Blende versehen sein, um den Saum von konvertiertem Gelblicht, das für die Weißlichterzeugung im Überschuss vorhanden ist, aufzufangen.
Die Justierung der Lage des Leuchtflecks 10 auf dem
optischen Konverter 3 kann bei dieser Ausführungsform sowie den weiteren hier beschriebenen vor Anbringung der
Schutzhülle 31 wie vorstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4 beschrieben erfolgen. Hierzu wird, wie in Figur 4 schematisch dargestellt das Licht eines C02~Lasers auf das Ende der Faser 4 gerichtet um deren Austrittsfläche 7 materialabtragend zu bearbeiten.
Dabei kann der Winkel nach dessen Justierung etwa 10° bis 30°, bevorzugt etwa 15° bis 25°, besonders bevorzugt etwa 18° bis 22° betragen.
Der Durchmesser des Leuchtflecks auf dem optischen
Konverter kann hierbei eine Größe von 0,5 ym bis 800 ym, bevorzugt eine Größe von 1 ym bis 500 ym und am
bevorzugtesten eine Größe von 5 ym bis 300 ym aufweisen und ist auch durch den geometrischen Abstand a der
Austrittsfläche 7 der Faser 4 zum optischen Konverter 3 einstellbar. Mit Einstellung des geometrischen Abstands a wird auch der optisch wirksame Abstand einstellbar und liegt dieser optisch wirksame Abstand, oder abgekürzt nur als Abstand bezeichnet, der Austrittsfläche 7 der Faser zur Oberfläche auf dem optischen Konverter 3, an welcher das Intensitätsmaximum des aus der Faser 4 austretenden Lichtes liegt, zwischen 200 ym und 2500 ym, bevorzugt zwischen 400 ym und 1500 ym, besonders bevorzugt zwischen 1500 und 800 ym und am bevorzugtesten zwischen 600 ym und 1200 ym. Die laterale Abweichung der Lage des Leuchtflecks auf dem optischen Konverter ist bei allen hier beschriebenen
Ausführungsformen, insbesondere nach der Justierung, kleiner als 200 ym, bevorzugt kleiner als 150 ym und besonderes bevorzugt kleiner als 100 ym.
Nachfolgend wir auf Figur 11 Bezug genommen, welche eine Aufsicht auf das dreidimensional dargestellte Element 34 der Lichtfalle 33 einer des in Figur 9 dargestellten faseroptischen Auskoppelkopfes 1 zeigt.
Dieses Element weist einen Flansch 43, mit welchem es in der Hülse 40 gehalten und einen Anschlag 44 auf, bis zu welchem es in die Hülse 40 einschiebbar ist.
Die nach Montage des Elements 34 in der Hülse 40 dem optischen Konverter 3 zugewandte Seite definiert eine facettierte Streufläche 45 kann mit einem absorbierenden Belag versehen sein, beispielsweise einem für das
Anregungslicht matt schwarzen Belag, und streut und
absorbiert das reflektierte Anregungslicht.
Bevorzugt sind das Element 34 sowie die Hülse 40 aus einem Metall hergestellt, sodass auch die am Element 34 sowie in der Hülse 40 durch Absorption entstehende Wärme an den monolithischen Körper 32 abgegeben werden kann.
Nachfolgend wir auf Figur 12 Bezug genommen, welche eine dreidimensional dargestellte Aufsicht auf den Auskoppelkopf 30 eines faseroptisches Konversionsmoduls 1 einer zweiten Ausführungsform mit aus diesem austretenden Nutzlicht 11 von schräg oben her gesehen zeigt. Gut erkennbar ist in dieser Figur, dass der Kegel des
Nutzlichts 11 sich bis zur Halterung 20 der Faser 4 bzw. 18 erstrecken kann und hierbei der bereits unter Bezugnahme auf Figur 2 beschriebene Vorteil einer geringeren
Nutzlichtabschattung durch die geneigte Austrittsfläche 7 bereitgestellt wird.
Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform ist auch aus Figur 13 zu erkennen, welche eine dreidimensional
dargestellte Aufsicht auf den monolithischen Körper 32 des in Figur 12 dargestellten Auskoppelkopfs 30 des
faseroptischen Konversionsmoduls 1 der zweiten
Ausführungsform von schräg oben her gesehen, jedoch ohne in oder an diesem gehaltener Faser und ohne an diesem
gehaltenem optischen Konverter zeigt.
Bei dieser Ausführungsform weist der monolithische Körper 32 zwei im Wesentlichen ebene Seitenflächen 46, 47 auf und kann als Strangware hergestellt werden. Wird der
monolithische Körper 32 dieser Ausführungsform als
Strangware hergestellt, können eine Vielzahl dieser
monolithischen Körper vor deren Vereinzelung entlang der Seitenflächen 46 und 46 jeweils mit den Öffnungen 48 und 49 sowie mit dem Halter 50 für den optischen Konverter 3 versehen werden.
Ferner kann der optische Konverter 3 vor dieser
Vereinzelung bereits innerhalb seiner als Erhebungen ausgebildeten Berandungen 51, 52 und innerhalb der
leistenförmigen Vorsprünge 53, 54 angeordnet werden und kann dann beispielsweise mittels einer Wärmebehandlung, soweit Lotverbindungen zum Einsatz kommen, zusammen mit einer Vielzahl weiterer monolithischer Körper prozessiert werden . Nachfolgend wird auf die Figuren 14 und 15 Bezug genommen, bei welchen Figur 14 eine Photographie des in Figur 11 dargestellten faseroptischen Auskoppelkopfes 1, bei welcher dieses in einer Prüfanordnung gehalten ist, schräg oben von der Seite her gesehen zeigt und Figur 15 eine Photographie des in Figur 11 dargestellten faseroptischen
Auskoppelkopfes 1 schräg von vorn oben gesehen zeigt, bei welcher dieser ebenfalls in einer Prüfanordnung gehalten ist . Die Abmessungen eines mit der vorstehenden Ausführungsform auf dem optischen Konverter 3 erhaltenen Leuchtflecks 10 sind Figur 16 zu entnehmen. Diese zeigt eine typische
Helligkeitsverteilung des Leuchtflecks 10 auf dem optischen Konverter 4, so wie diese durch das aus der Faser 4
austretende und auf den optische Konverter 3 auftreffende Licht bei den vorstehend und nachfolgend gezeigten
Ausführungsformen entsteht, zusammen mit einer Längenskala, deren Skalierung einen Abstand von jeweils 100 ym aufweist. In Figur 17 ist eine dreidimensional dargestellte Aufsicht auf den Auskoppelkopf 30 eines faseroptisches
Konversionsmoduls 1 einer dritten Ausführungsform von schräg oben her gesehen gezeigt. Bei dieser Ausführungsform ist die Schutzhülle aus Glas 31 rohrförmig mit einem geschlossenen, verrundeten Ende und einem offenen Ende ausgebildet und erstreckt sich über mehr als die Hälfte der Länge des monolithischen Körpers 32.
Hierdurch entsteht eine lampenkolbenartige Ausgestaltung, welche es gestattet, den Auskoppelkopf 30 in dessen
Längsrichtung in Reflektoren einzubringen, welche
vorzugsweise über weitere lichtführende Elemente wie
Umlenkspiegel verfügen, um das emittierte Nutzlicht
möglichst vollständig nutzen zu können.
Zur mechanisch exakten Halterung des Auskoppelkopfes dieser Ausführungsform sind Passflächen 58 und 59 vorgesehen, wobei die Passfläche 59 mit einer in dieser Figur nicht dargestellten weiteren Passfläche 60 zusammenwirkt, mit welcher diese eine genähert V-förmige Anordnung bildet.
Weiterhin sind passgenau ausgestaltete Schrägflächen 61 und 62 dafür vorgesehen, den Auskoppelkopf 30 in dessen
Längsrichtung korrekt zu positionieren.
Unter Bezugnahme auf Figur 18, ist weiter zu erkennen, dass sich die Faser 4 in deren Halterung 29 in etwa parallel zur Längsrichtung des monolithischen Körpers 32 erstreckt und der optische Konverter 3 unter einem Winkel relativ hierzu geneigt gehalten ist.
Die Hülse 35' zur Halterung der Faser 4 ist bei dieser Ausführungsform kein eigenständiges Bauteil sondern als im Wesentlichen gleichwirkende zylindrische Öffnung im
monolithischen Körper 32 selbst ausgebildet. Auch das in Figur 19 dargestellte Element 34 der Lichtfalle 33 weist bauliche Unterschiede zu dem in Figur 11 bezüglich deren jeweiliger Facettierung auf. Bei dem in Figur 11 dargestellten Element wird jeweils eine im Wesentlichen pyramidenförmige Facette zur Streuung und Absorption des Lichts eingesetzt, wohingegen bei dem
Element 34 aus Figur 19 zu gleichen Zwecken eine radial verlaufende Rippenstruktur verwendet wird, deren radiales Zentrum mit der Längsachse dieses Elements 34
zusammenfällt .
Eine bevorzugte Ausführungsform ist in Figur 20
dargestellt, diese zeigt eine dreidimensional dargestellte Aufsicht auf den faseroptischen Auskoppelkopf 30 eines faseroptischen Konversionsmoduls 1 einer vierten
Ausführungsform von schräg oben her gesehen.
Der monolithische Körper 32 dieser Ausführungsform weist eine im Wesentlichen kegelstumpfartige Öffnung 63 auf, an deren Boden der optische Konverter 3 gehalten ist. Mittels einer Durchgangsöffnung 64 ist die Faser 4 in das Innere der kegelstumpfartigen Öffnung 63 geführt, welche eine radial verlaufende Furche 65 als Halterung für die Faser 4 definiert, die besser in der Schnittdarstellung der Figur 21 zu erkennen ist. Figur 21 zeigt eine horizontal
verlaufende, zweidimensionale Schnittdarstellung des in Figur 19 gezeigten faseroptischen Auskoppelkopfs 30, welche durch die Mitte des faseroptischen Auskoppelkopfs 30 und durch die Mitte der Faser 4 des faseroptischen
Konversionsmoduls 1 verläuft. Besonders gut ist dieser Figur 21 die Wirkung der
Lichtfalle 33 zu entnehmen, welche das vom optischen
Konverter 3 reflektierte Anregungslicht 66 wie bei allen hier dargestellten Ausführungsformen daran hindert, den Auskoppelkopf 30 zu verlassen. Bei dieser Ausführungsform wird eine fresnelsche Zonenplatte 67 verwendet, um
reflektiertes Anregungslicht 66 in eine Öffnung 68 zu leiten, in welcher es an deren Seitenwänden 69 sowie Boden 70 absorbiert werden kann, wobei die dann dabei entstehende Wärme vom monolithischen Körper 32 aufgenommen wird.
Figur 22 zeigt hierzu eine Detailansicht aus der in Figur 19 gezeigten Aufsicht auf den faseroptischen Auskoppelkopf der vierten Ausführungsform jedoch in dreidimensionaler Darstellung, so dass insbesondere das Reflexionsverhalten des optischen Konverters 3 bezüglich des Anregungslichts besonders gut zu erkennen ist.
Auch bei dieser Ausführungsform wird die Lage des
Leuchtflecks 10 auf dem optischen Konverter 3 wie
vorstehend beschrieben durch materialabtragende Bearbeitung der Austrittsfläche 7 der Faser 4 justiert, obwohl die sich unter einem Winkel relativ zur Längsachse 8 der Faser 4 geneigte Austrittsfläche 7 von den äußeren Mantelstrukturen der Faser 4 verdeckt und somit nicht zu sehen ist.
Diese Erfindung ist auch nicht auf die Verwendung nur einer Faser in einem faseroptischen Konversionsmodul 1
beschränkt . Wie vorstehend beschrieben die Lage der Leuchtlecke
mehrerer Lichtquellen, insbesondere Anregungslichtquellen auf dem optischen Konverter 3 justiert werden. Bezüglich der räumlich geometrischen Ausgestaltung sowie der weiteren Eigenschaften der dabei verwendeten Bauteile wird auf die Internationale Patentanmeldung WO 2014/049056 des gleichen Anmelders verwiesen, welche durch Bezugnahme auch zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird.
Hierdurch wird eine Vorrichtung mit mehr als einem
Lichtleiter bereitgestellt, aus welchem jeweils Licht austritt und jeweils zumindest zu einem wesentlichen Teil auf einen optischen Konverter 3 trifft, auf welchem
hierdurch jeweils ein Leuchtfleck 10 entsteht, bei welcher die Austrittsfläche 7 der Faser 4 jeweils einen von 0° verschiedenen Winkel relativ zur Längsachse 8 der Faser 4 aufweist, wobei vorzugsweise auch durch die Einstellung des Winkels die Lage des Leuchtflecks 10 auf dem Konverter 3 justiert ist und die jeweiligen Leuchtflecke 10 sich auf dem optischen Konverter 3 zumindest zu einem wesentlichen Anteil überlagern. Besonders vorteilhaft können die vorstehend beschriebenen faseroptischen Konversionsmodule 1 mit deren
Auskoppelköpfen 30 in Scheinwerfer eingebaut oder
funktionale Teile von diesen sein. Die Erfindung umfasst folglich auch entsprechende
Scheinwerfer eines Luft- Wasser- oder Landfahrzeugs mit derartigen faseroptischen Konversionsmodulen. Ebenfalls sind Projektionseinrichtung, insbesondere
digitale Projektionseinrichtung und insbesondere auch
Scheinwerfer für Theater, Film und Bühne, mit
entsprechenden faseroptischen Konversionsmodulen 1
Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe, ein faseroptisches Konversionsmodul einfachen Aufbaus zu schaffen, das sich als Montageteil in eine
Beleuchtungseinrichtung zwischen einer Anregungslichtquelle und einem Scheinwerfer zur Abgabe von Nutzlicht eignet und eine gute Wärmeabfuhr ermöglicht, gelöst durch ein
faseroptisches Konversionsmodul zur Verwendung als
Scheinwerfer, wie es beispielhaft in Figur 23 gezeigt ist.
So ist das als Ganzes mit dem Bezugszeichen 1 versehene faseroptische Konversionsmodul dieser weiteren
Ausführungsform in dem in Figur 23 abgebildeten Beispiel bereits als Beleuchtungseinrichtung 200 konzipiert und in fertig montierter, einbaufähiger Form gezeigt. Das
Konversionsmodul 1 ist in einem Längsschnitt gezeigt.
Die Beleuchtungseinrichtung 200 ist im Wesentlichen
zapfenförmigen ausgebildet und kann einfach in einen
Autoscheinwerfer eingefügt und befestigt werden.
Das Konversionsmodul 1 gemäß der Erfindung umfasst ein Trägerelement 220, einen Auskoppelkopf 230 und einen faseroptischen Lichtleiter 250, nachfolgend auch
Lichtleitfaser genannt. Zur Vereinfachung der genauen
Positionierung der Beleuchtungseinrichtung 200 in dem Autoscheinwerfer ist an dem Trägerelement 220 eine
Ausnehmung 225 zur Fixierung mit entsprechenden
Bezugsflächen vorgesehen, so dass eine einfache und rasche Montage ermöglicht wird.
Der Lichtleiter 250 ist an seinem Lichteintrittsende mit einem Stecker (nicht dargestellt) versehen zur Ankopplung an eine zugeordnete Anregungslichtquelle (nicht
dargestellt) . Der Stecker ist vorzugsweise ein Stecker umfassend eine Keramikferrule, welche im Vergleich zu einem SMA-Stecker eine höhere Genauigkeit des Durchmessers und eine geringere Exzentrizität aufweist, welcher zur Kopplung mit einer Laserdiode ausgebildet ist, die ihr
Anregungslicht in die Lichtleitfaser 250 einkoppelt. Eine derartige Keramikferrule erleichtert die Montage deutlich, so dass eine aufwendige Justage vermieden werden kann. Der Lichtleiter 250 wird knicklos zum Auskoppelkopf 230 geführt, wobei eine gewisse Krümmung im Allgemeinen
unschädlich und unvermeidbar ist. Die Lichtleitfaser 250 führt zu dem Auskoppelkopf 230, wo sie fixiert und
gehaltert wird.
Das Trägerelement 220 ist mit einem Konverter 221
ausgestattet, welcher so angeordnet ist, dass
Anregungslicht aus dem montierten Lichtleiter 250 schräg auftrifft .
Das aus dem Lichtleiter 250 austretende Anregungslicht fällt demnach schräg auf den Konverter 221, der das kurzwelligere Anregungslicht in langwelligeres
Konversionslicht umwandelt, daneben aber auch
Anregungslicht streut, so dass das remittierte Licht im Mittel langwelligeres Nutzlicht darstellt. Beim Nutzlicht wird meist Weißlichtcharakter angestrebt. Wenn der
Scheinwerfer im Wesentlichen paralleles Nutzlicht erzeugen soll, wird auf dem Konverter 221 ein vorzugsweise kleiner Leuchtfleck erzeugt.
Der Auskoppelkopf 230 ist im Beispiel von
rotationssymmetrischer, zapfenförmiger Form. Der
Auskoppelkopf 230 ist von geringer Komplexität und kann daher einfach und in großen Stückzahlen kostengünstig gefertigt werden.
Das Trägerelement 220 ist dementsprechend mit einer
ebenfalls rotationssymmetrischen Bohrung 227 ausgestattet, welche passgenau gegengleich zur der äußeren Kontur des Auskoppelkopfes 230 ausgebildet ist. Die Bohrung 227 und der Außendurchmesser des Auskoppelkopfes im
Verbindungsbereich sind mit enger Toleranz gefertigt. Dies kann eine dH7/m6-Übergangspassung sein, die eine Montage mit leichtem Druck ermöglicht. Auf diese Weise kann der Auskoppelkopf 230 präzise in die Bohrung 227 eingefügt und anschließend fixiert werden kann. Die Fixierung kann mittels Kleben in der vorgesehenen Position erfolgen. Es kann aber auch eine Klemmung oder eine Verschraubung vorgesehen sein.
Der Auskoppelkopf 230 umfasst eine zentrische, axiale
Durchgangsbohrung mit einem Einsatzelement 231, welches als Hülse ausgebildet ist. Dieses Einsatzelement 231 dient der Aufnahme des Lichtaustrittsendes der Lichtleitfaser 250. Die Lichtleitfaser 250 kann in das Einsatzelement 231 eingeschoben werden, so dass die Lichtleitfaser 250 am konverterseitigen Ende des Einsatzelements bündig
abschließt .
Zur exakten Positionierung des Auskoppelkopfes 230 in der Bohrung 227 des Trägerelements ist das Trägerelement 220 mit einem umlaufenden Anschlag 226 ausgebildet, der bei montiertem Auskoppelkopf einen ebenfalls umlaufenden
Vorsprung 234 des Auskoppelkopfes 230 aufnimmt. Als Fixierhilfe ist weiterhin ein rotationssymmetrisches Einsatzelement 232 vorgesehen. Dieses ist ebenfalls als Hülse ausgebildet und umschließt mit einem ersten Bereich bündig den dem Konverter zugewandten vorderen Bereich des Auskoppelkopfes. Mit der Außenfläche steht das
Einsatzelement 232 mit seiner Mantelfläche in montierter Position in Kontakt mit der Bohrung 227. Ein zweiter, dem ersten Bereich gegenüberliegender Bereich des
Einsatzelements 232 ist dazu ausgebildet, ein optisches Element 240 aufzunehmen und zu haltern. Das optische
Element 240 liegt damit im direkten Strahlengang des
Anregungslichtes. Um einen vorbestimmten Abstand zwischen dem Lichtaustrittsende des Lichtleiters 250 und dem
optischen Element 240 zu schaffen, ist ein Distanzelement 233 vorgesehen, welches sich innerhalb des Einsatzelements zwischen dem Auskoppelkopf 230 und dem optischen Element 240 befindet.
Auf diese Weise kann ein günstig zu fertigender,
montagefertiger Auskoppelkopf 230 zur Verfügung gestellt werden, welcher zum einen der Halterung und Fixierung eines Lichtleiters 250 zur Zuführung von Anregungslicht dient, zum anderen auch ein optisches Element 240, vorzugsweise zur Fokussierung des Anregungslichtes auf einen Konverter 221, bereithält.
Diese Ausführungsform bietet neben der Möglichkeit eines raschen Austausches des Auskoppelkopfes den weiteren
Vorteil, dass der axiale Abstand zwischen dem
Lichtaustrittsende des Lichtleiters 250 und dem optischen Element 240 durch die Auswahl von Distanzelementen 233 mit unterschiedlicher Länge und/oder der axiale Abstand
zwischen dem Lichtaustrittsende des Lichtleiters 250 und dem Konverter durch Änderung der Positionierung des
Auskoppelkopfes 230 in der Bohrung 227 durch die Auswahl von Einsatzelementen 232 mit unterschiedlicher Länge verändert werden kann.
Für das optische Element 240 ist im Beispiel ein
fokussierendes optisches Element, vorzugsweise eine
Stablinse, vorgesehen. Das optische Element 240 ist koaxial zum Lichtleiter 250 angeordnet. Mittels des optischen
Elements 240 wird das Anregungslicht auf den Konverter fokussiert. Hierzu ist die Stablinse mit einer plan
polierten Lichteintrittsfläche und einer linsenförmig gekrümmten Lichtaustrittsfläche ausgebildet. Der im Ganzen zapfenförmige Aufbau des Konversionsmoduls 1 führt zu einem ebenfalls zapfenförmigen Aufbau des
Trägerelement 220 und der Beleuchtungseinrichtung 200.
Zur Vereinfachung der Montage des Lichtleiters 250 in dem Auskoppelkopf 230 ist ein Montageschacht 235 vorgesehen, der ein besonders einfaches Einfügen des Lichtleiters 250 ermöglicht . Der mit dem Trägerelement 220 montierte Auskoppelkopf 230 sorgt dafür, dass das Lichtaustrittsende des Lichtleiters 250 das Anregungslicht auf einen Leuchtfleck richtet, der sich auf der Oberfläche des Konverters 221 befindet. Das langwelligere Nutzlicht wird von dem Leuchtfleck in Form eines Lichtkegels abgegeben. Der Lichtkegel weist einen Öffnungswinkel von wenigstens 50°, bevorzugt wenigstens 60° und besonders bevorzugt wenigstens 70° auf. Das
Trägerelement 220 umfasst ferner eine reflektierende Fläche
223 zur Reflektion von Nutzlicht.
Um den Austritt von reflektiertem, kurzwelligem
Anregungslicht zu unterbinden, ist das Trägerelement mit einer Lichtblende 222 ausgestattet, die als Lichtfalle wirkt. Diese kann als Streukörper ausgebildet sein oder einen Streukörper umfassen, welcher das Anregungslicht totlaufen lässt. Auf diese Weise kann der Austritt von reflektiertem Anregungslicht verhindert werden.
Der Innenraum des Trägerelements 220, welcher den Konverter 221 umfasst, ist mit einer lichtdurchlässigen Schutzhülle
224 zum Schutz des Konverters umgeben. Der Konverter 221 kann hierdurch optimal vor eindringenden Partikeln oder auch Feuchtigkeit geschützt werden. Die lichtdurchlässige Schutzhülle 224 ist dabei aus Glas gefertigt und dicht mit dem Trägerelement 221 verbunden. Vorzugsweise bietet die Schutzhülle daher einen Schutz wenigstens nach IP 44 gemäß DIN EN 60529. Auf diese Weise können auch das
Lichtaustrittsende des Lichtleiters 250 und/oder das optische Element 240 vor Staub und Feuchtigkeit optimal geschützt werden. Das Trägerelement 220 ist im Beispiel als metallischer Sinterkörper gefertigt. Insbesondere für das Trägerelement 220 eignet sich die Fertigung als derartiger Sinterkörper, da ein gesintertes Bauteil mit hoher Genauigkeit gefertigt werden kann und zudem eine hohe Temperaturbeständigkeit aufweist, wie sie bei dem Betrieb des Konverters auftritt.
Alternativ kann das Trägerelement 220 aber auch aus einem anderen Material, etwa einem wärmeleitenden Material gefertigt sein, um die hohe Temperatur des Konverters im Betrieb abzuführen. Der Auskoppelkopf 230 hingegen kann aus anderen Materialien gefertigt sein, beispielsweise
kostengünstig aus Kunststoff, da hier die Wärmebelastung durch den Betrieb des Konverters 221 geringer ist.
Das Nutzlicht gelangt durch die Schutzhülle 224 zu dem Nutzgeräteteil (nicht dargestellt) , das im Falle eines Scheinwerfers einen Parabolspiegel, ein Segment eines
Parabolspiegels oder eine abgewandelte Parabolspiegelfläche darstellt .
Der Abstand zwischen dem optischen Element 240 und dem Konverter 221 beträgt im Beispiel etwa 70 mm. Bei einem derartigen Abstand reicht es im Allgemeinen aus, wenn die axiale Justiermöglichkeit in einem Bereich von 0,05 mm bis zu 5 mm, vorzugsweise in einem Bereich von 0,03 bis 4 mm liegt, um eine exakte axiale Positionierung des
Lichtaustrittsendes des Lichtleiters in Bezug auf den
Konverter 221 zu erreichen. Ein nochmals weiteres Ausführungsbeispiel eines
Konversionsmoduls zeigt Figur 24 in einer Schrägansicht.
Abgebildet ist ein Auskoppelkopf 260. Dieser weist einen Bereich auf, welcher als parabolischer Reflektor 261 ausgebildet ist. Im Zentrum des Reflektors 261 ist eine kreisförmige Öffnung 262 vorhanden, in welcher der
Konverter (nicht dargestellt) platziert werden kann. Das den Konverter tragende Trägerelement ist ebenfalls der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Die Oberfläche des Reflektors 261 ist durch einen
länglichen, radial auf die Öffnung 262 zulaufenden Schlitz 263 unterbrochen. Dieser ist im zentrumsnahen Bereich des Reflektors angeordnet. Der Schlitz 263 ermöglicht es aus dem Lichtaustrittsende des Lichtleiters 250 austretendem Anregungslicht, auf den Konverter abgestrahlt zu werden. Der Schlitz verläuft demnach in Strahlrichtung auf den Konverter 221 zu.
Der Lichtleiter 250 ist mit einem Einsatzelement (nicht dargestellt) mit dem Ankoppelkopf 260 verbunden, wie es auch in dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel dargestellt ist .
Auf diese Weise ist auch hier eine axiale Bewegung zur Positionierung des Lichtaustrittsendes des Lichtleiters 250 in Bezug auf den Konverter gegeben. Ferner ist auch ein optisches Element 264 vorhanden, um das Anregungslicht auf den Konverter zu fokussieren. Das optische Element 264 ist derart angeordnet, dass es nicht in den Reflektorbereich hineinragt. Auf diese Weise wird eine Abschattung des
Nutzlichtes weitgehend vermieden.
In einer Ausführungsform ohne optischem Element 240, 264 kann das Lichtaustrittsende des Lichtleiters 250 dichter an den Konverter 221 herangeführt werden. Es ist darauf zu achten, dass das Lichtaustrittsende nicht zu größeren
Abschattungen führt, indem es in den Abstrahl-Lichtkegel des Konverters zu sehr hineinragt. Um trotz höheren
Abstands eine ausreichende Fokussierung des
Anregungslichtes auf den Konverter zu ermöglichen, kann das Lichtaustrittsende des Lichtleiters linsenförmig gekrümmt poliert werden. Die Unterseite 265 des Ankoppelkopfes 260 ist zur präzisen Aufnahme und Befestigung mit dem Trägerelement mit
Ausnehmungen und Anschlägen ausgestattet.
Die Oberseite 266 des Ankoppelkopfes 260 ist mit
Vorsprüngen versehen, welche ein einfaches Verbinden mit der lichtdurchlässigen Schutzhülle (nicht dargestellt) ermöglichen .
Beiden Ausführungsformen ist gemein, dass das jeweilige Lichtaustrittsende des Lichtleiters lediglich eine plan geschliffene Endfläche umfasst und demzufolge sehr einfach und kostengünstig gefertigt werden kann. So sind
insbesondere keine schrägen, aufwendig zu fertigenden
Anschliffe, wie sie bei der Verwendung mehrerer Lichtleiter benötigt werden, erforderlich. In den Ausführungsformen weist der Lichtleiter 250 einen Faserkern aus Quarzglas und einen Fasermantel aus Quarzglas auf, wobei der Brechungsindex des Fasermantels niedriger als der Brechungsindex des Faserkerns ist. Ein derartiger Lichtleiter ist aufgrund seiner vergleichsweise hohen
Temperaturbeständigkeit günstiger als etwa Lichtleiter aus Kunststoff .
Bei den beiden letztgenannten Ausführungsformen können das Trägerelement und/oder der Auskoppelkopf bereits ein Teil einer Beleuchtungseinrichtung oder als Teil einer
Beleuchtungseinrichtung ausgebildet sein.
Die bauliche Trennung ermöglicht eine funktionale Trennung dahingehend, dass für das den Konverter halternde
Trägerelement ein anderes Material ausgewählt werden kann als für den Auskoppelkopf. So kann beispielsweise ein besonders temperaturstabiles Material, etwa ein
Sintermaterial, vorzugsweise ein metallisches
Sintermaterial, für das Trägerelement vorgesehen sein, während für den Auskoppelkopf ein anderes Material, beispielsweise ein Kunststoffmaterial , vorgesehen sein kann. Der Auskoppelkopf lässt sich daher einfacher und kostengünstiger fertigen.
Das Trägerelement ist demnach so gestaltet, dass im
Konverter erzeugte Wärme über das Trägerelement abgeführt und dissipiert werden kann. Durch die bauliche Trennung kann die Wärmeübertragung auf den Auskoppelkopf reduziert werden, so dass eine geringere Gefahr besteht, dass die Lichtleitfaser im Betrieb Schaden nimmt. Auf diese Weise kann auch die Lebensdauer des faseroptischen
Konversionsmoduls verlängert werden.
Zudem entfällt die Problematik, das aus mehreren
Lichtaustrittsenden austretende Licht in beengten
Platzverhältnissen zu bündeln und auf einen gemeinsamen Leuchtfleck auf der Konverteroberfläche zu konzentrieren, so dass für das erfindungsgemäße Konversionsmodul insgesamt weniger Bauraum benötigt wird.
Gemäß einem nochmals weiteren Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe, einen Konverter-Kühlkörperverbund bereitzustellen, gelöst mit einem Verfahren zur Herstellung eines Konverter- Kühlkörperverbunds mit einem optischen Konverter zur zumindest teilweisen Umwandlung von Licht einer ersten Wellenlänge in Licht einer zweiten Wellenlänge, und einem Kühlkörper .
Es wird auf die Figur 25 Bezug genommen, welche als
Ausschnittsdarstellung von Bestandteilen eines
faseroptischen Konversionsmoduls 1 einen Konverter- Kühlkörperverbund 110 zusammen mit einer weiteren Baugruppe einer ersten bevorzugten Ausführungsform in einer
dreidimensionalen Schnittdarstellung von vorn von einem leicht erhöhten Blickpunkt aus gesehen, wobei die weitere Baugruppe der monolithische Körper 32 eines Auskoppelkopfes 30 des faseroptischen Konversionsmoduls 1 ist.
Mit einer ersten Lotverbindung 101 ist der optische
Konverter 3 an einem Kühlkörper 42 gehalten, welcher wiederum mit einer zweiten Lotverbindung 102 am
monolithischen Körper 32 gehalten ist. Der optische, vorzugsweise keramische Konverter 3 kann eine Beschichtung 104 aufweisen, durch welche die mechanische Stabilität der ersten Lotverbindung 101 unterstützt und die Ableitung der Wärme aus dem optischen Konverter 3
verbessert wird.
Diese Beschichtung 104 ist vorzugsweise, eine
metallhaltige, reflektierende Beschichtung zur
Wärmeableitung sowie auch zur Verbesserung der
Konversionseffizienz des optischen Konverters 3 durch
Reflexion von in Richtung der Beschichtung 104 gestreuten Anregungslichtanfeilen . Das Beschichtungsverfahren zum Aufbringen der Beschichtung 104 auf dem optischen Konverter 3 mit einem vorzugsweise keramischen Körper umfasst dabei zumindest die
Verfahrensschritte a) bis f) . In Schritt a) wird zunächst ein optischer, insbesondere keramischer Konverter 3 mit zumindest einer polierten
Oberfläche bereitgestellt. Die hohe Temperaturstabilität des keramischen Konvertermaterials des optischen Konverters 3 ermöglicht dabei neben der Verwendung von
Primärlichtquellen mit hohen Leuchtdichten (z.B.
Halbleiterlaser) auch hohe Prozesstemperaturen in den nachfolgenden Verfahrensschritten .
Schritt b) beinhaltet die Bereitstellung einer
metallhaltigen Paste. Die metallhaltige Paste umfasst ein Metallpulver in einem organischen Anpastmedium.
Insbesondere handelt es sich bei den verwendeten organischen Anpastmedien um ein Rheologieadditiv, das eine Lösung von Harzen und organischen Additiven in einem
Lösemittelgemisch darstellt und/oder IR-trockenbar ist (z.B. Johnson Matthey 650-63 IR Medium Oil-based, Okuno 5000) .Mit Hilfe des Anpastmediums wird die Rheologie der Paste eingestellt, so dass die Paste beispielsweise
druckfähig ist.
Das Metallpulver enthält bevorzugt zumindest ein Metall aus der Gruppe mit den Elementen Silber, Gold und Platin oder Legierungen hiervon. Insbesondere wird Silberpulver
verwendet. Dies ist besonders vorteilhaft, da Silber sowohl eine hohe Wärmeleitfähigkeit als auch eine hohe
Reflektivität aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform enthält die in Schritt b) bereit gestellte Metallpaste einen Silberanteil von 70 bis 90 Gew.-%, bevorzugt 80 bis 85 Gew.-%. Der Anteil an organischen Anpastmedium beträgt 10 bis 30 Gew.-%,
bevorzugt 15 bis 20 Gew.-%.
Nachfolgend wird die in Schritt b) erhaltene Paste
zumindest auf einen Teilbereich der polierten
Konverteroberfläche aufgebracht (Schritt c) . Bevorzugt wird die Paste durch ein Druckverfahren, insbesondere durch ein Siebdruckverfahren auf die Konverteroberfläche aufgebracht. Hierdurch ist es möglich, in überraschend einfacher Weise eine laterale Struktur der Beschichtung auf der
Konverteroberfläche zu erzeugen. So können auch lediglich Teilbereiche der Konverteroberfläche bedruckt oder
ausgespart werden. Andere Druckverfahren wie beispielsweise Tampondruck oder Rolldruckverfahren sind ebenfalls möglich. In Schritt d) wird die auf der Konverteroberfläche
aufgebrachte Paste getrocknet. Bevorzugt wird die Paste bei Temperaturen im Bereich von 150 bis 400°C, besonders bevorzugt bei Temperaturen im Bereich von 250 bis 300°C getrocknet. Hierdurch werden die im Anpastmedium
enthaltenen Lösungsmittel zumindest teilweise entfernt und die aufgebrachte Paste insbesondere vorverdichtet. Die Trocknungszeit ist abhängig vom Lösungsmittelanteil in der aufgebrachten Paste und liegt typischerweise zwischen 5 und 30 min
Im nachfolgenden Schritt e) wird die aufgebrachte Paste bei Temperaturen > 450°C eingebrannt, was zu einer guten thermischen und mechanischen Anbindung der so gebildeten Beschichtung an den Konverter führt. Die hohen
Einbrandtemperaturen bewirken zudem eine Sinterung der im Metallpulver enthaltenen Metallpartikel. Die so entstandene Sinterstruktur weist eine relativ hohe Homogenität auf und führt zu den guten Reflexionseigenschaften der so
erhaltenen Beschichtung. Hierbei haben sich
Einbrandtemperaturen im Bereich von 700°C bis 1.000°C als besonders vorteilhaft herausgestellt. Abhängig von der verwendeten Einbrandtemperatur und dem verwendeten Metallpulver kann gemäß einer Ausführungsform das Metallpulver weitgehend oder teilweise aufschmelzen, so dass der keramische Konverter an der Grenzfläche vom Metall benetzt wird. Gemäß weiteren Ausführungsformen sintern die in der Paste enthaltenen Metallpartikel lediglich zusammen. Bei dem Einbrand der Paste werden die organischen
Bestandteile der aufgebrachten Paste bzw. die Reste des Anpastmediums ausgebrannt. Der so mit der Beschichtung 104 beschichtete Konverter 3 wird in Schritt f) an den Kühlkörper 42 unter Ausbildung einer ersten Lotverbindung 101 angebunden, diese bedeutet durch die dabei hergestellte erste Lotverbindung auch mechanisch an diesem fixiert.
Hierbei wird der Kühlkörper 42 unter Verwendung des ersten Lotes an die in Schritt e) erhaltene Beschichtung 104 unter Verwendung eines vorzugsweise zinnhaltigen, bleifreien Lotes gelötet. Bevorzugte weitere erste Lote für die erste Lotverbindung 101 sind nachfolgend noch detaillierter beschrieben .
Gemäß einer Weiterbildung weist die in Schritt b)
bereitgestellte Paste zusätzlich einen Glasanteil auf. Der Glasanteil führt dabei zu einer besseren Haftung der
Beschichtung auf der Konverteroberfläche sowie zu einem verbesserten Sinterverhalten der Metallpartikel
untereinander. Der Glasanteil beeinflusst zudem die
Lötbarkeit der metallischen Beschichtung 104 in positiver Weise.
Gemäß einer zusätzlichen Weiterbildung kann die metallische Beschichtung mehrfach aufgebracht werden. Dazu wird
entweder nach dem Trocknen der Paste (Schritt d) oder nach dem Einbrand der Paste (Schritt e) erneut Paste aufgebracht (Schritt c) und wie beschrieben weiterprozessiert. In einer Ausführungsform beträgt der Glasanteil 0,05 bis 8 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 6 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,2 bis 5 Gew.-% beträgt. Dieser Glasanteil hat sich als vorteilhaft herausgestellt, da zum einen der Glasanteil ausreicht, um die Haftung der Beschichtung an der
Oberfläche des Konverters zu erhöhen, andererseits jedoch noch eine gute Lötbarkeit der Beschichtung gewährleistet.
Als vorteilhaft hat sich hierbei die Verwendung von
Glaspulvern mit einer Korngrößenkennzahl D50 im Bereich von 1 bis 5 m herausgestellt. Dies gewährleistet eine homogene Verteilung der Glaspartikel in der Paste und somit auch eine homogene Verteilung des Glasanteils in der in Schritt e) erhaltenen Beschichtung.
Gemäß einer Ausführungsform weist das in der Paste
enthaltene Glas eine Glasübergangstemperatur Tg im Bereich von 300 bis 600°C, bevorzugt im Bereich von 350 bis 560°C auf .
Bevorzugt handelt es sich bei dem in Schritt b) verwendeten Glaspulver um ein PbO-, ein B12O3-, ein ZnO-, ein SO3- oder ein silikatbasiertes Glas. Diese Gläser haben sich in
Hinblick auf deren Erweichungstemperaturen bzw. deren
Brechwerte als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt b) ein silikatbasiertes Glas, insbesondere ein Glas mit einem S1O2 Gehalt von mindestens 25 Gew.-% verwendet. Entsprechende Gläser weisen neben vorteilhaften Brechwerten und Erweichungstemperaturen zudem auch unter den
erfindungsgemäßen Einbrandbedingungen (Schritt e) ) eine hohe Resistenz gegenüber Redoxvorgängen unter Beteiligung des Metalls und/oder des keramischen Konverters auf.
Die um der Einfachheit willen nur in Figur 26 gezeigte Beschichtung 104 kann vorzugsweise bei allen
Ausführungsformen auf der der Lotverbindung 101 zugewandten Seite des optischen Konverters 3 angebracht sein, auch wenn diese Beschichtung 104 um der Einfachheit der Darstellung willen nicht explizit in jeder Figur dargestellt ist.
Die zweite Lotverbindung 102 ist in der Lage, einen Spalt 103 zwischen dem monolithischen Körper 32 und dem
Kühlkörper 42 zu füllen und ermöglicht in deren erweichtem Zustand eine Verschiebung des Konverter-Kühlkörperverbunds 110 zumindest in die Richtungen x und y relativ zum
monolithischen Körper 32 oder auch eine Dreh- oder
Taumelbewegung um die in Figur 26 dargestellte z-Achse.
In diesem erweichten Zustand des zweiten Lots 102 kann beispielsweise der Konverter-Kühlkörperverbund 110 mittels einem dem Fachmann wohlbekannten, jedoch in den Figuren nicht dargestellten Hexapods relativ zum monolithischen Körper 32 mit wenigen ym lateraler Abweichung,
beispielsweise mit weniger als 10 ym lateraler Abweichung, in x- und y-Richtung justiert werden und nach dieser
Justierung mechanisch zunächst durch den Hexapod und danach auch durch die zweite Lotverbindung 102 stabil gehalten werden, insbesondere nachdem die Temperatur der zweiten Lötverbindung unter deren Schmelzpunkt Ts2 abgesenkt wurde.
Wird die Konverter-Kühlkörperanordnung beispielsweise gleichweit in positiver x- und y-Richtung verschoben, vermindert dieses den Abstand der Oberfläche des optischen Konverters 3 zur Austrittsfläche 7 einer das Anregungslicht führenden optischen Faser 4, siehe hierzu beispielsweise auch die Figuren 27, 28 und 29. Durch Verringerung dieses Abstands wird die Größe des Leuchtflecks 10 auf dem
optischen Konverter 3 verkleinert, wohingegen durch
Erhöhung des Abstands der Oberfläche des optischen
Konverters 3 zur Austrittsfläche 2 der Faser 4 die Größe des Leuchtflecks 10 erhöht. Diesbezüglich wird auf die parallele, am gleichen Tag beim selben Amt eingereichte
Anmeldung mit dem Titel „Verfahren zur Justierung eines auf einem optischen Konverter erzeugten Leuchtflecks sowie Vorrichtung mit justiertem Leuchtfleck und deren
Verwendungen" desselben Anmelders Bezug genommen und diese durch Bezugnahme inkorporiert.
Wie vorstehend angesprochen kann der Konverter- Kühlköperverbund 110 um die z-Achse (siehe hierzu auch die Darstellung und Figur 26) gedreht oder gekippt werden, welches eine Justierung der Neigung der Oberfläche des optischen Konverters 3, auf welche das Anregungslicht fällt, gestattet. Hierdurch kann sowohl das reflektierte Anregungslicht als auch die Hauptstreukeule des Nutzlichtes in deren Ausbreitungsrichtung beeinflusst und damit auch in einem definierten Winkelintervall justiert werden.
Nachfolgend wird auf Figur 26 Bezug genommen, welche eine Baugruppe 105 eines Auskoppelkopfes 30 eines faseroptischen Konversionsmodul 1 zeigt, in welcher der in Figur 25 gezeigte Konverter-Kühlkörperverbund 101 durch eine zweite Lotverbindung 102 gehalten ist, in einer dreidimensionalen Schnittdarstellung von vorn von einem leicht erhöhten
Blickpunkt aus gesehen.
Diese Baugruppe kann beispielsweise auch Teil des in Figur 29 dargestellten oder eines anderen Auskoppelkopfes sein, wie nachfolgend noch detaillierter beschrieben wird.
Die Baugruppe 105 weist eine im Wesentlichen horizontal verlaufende Passfläche 106 sowie eine säulenförmige
Erhebung definierende horizontale Passflächen 107, 108, 109 auf, mittels welchen die Baugruppe 105 passgenau und unter Erhaltung der Justierung des Konverter-Kühlkörperverbunds 110 relativ zur Baugruppe 105. Zum besseren Verständnis wird nachfolgend eine besonders bevorzugte Ausführungsform beschrieben, bei welcher der Konverter-Kühlkörperverbund mit einem Auskoppelkopf 30 als weiterer Baugruppe mittels der zweiten Lotverbindung 102 verbunden ist.
Nachfolgend wird auf Figur 9 Bezug genommen, welche eine dreidimensional dargestellte Aufsicht auf den
faseroptischen Auskoppelkopf 30 eines faseroptischen
Konversionsmoduls 1 einer ersten Ausführungsform von schräg oben her gesehen zeigt.
Unter einer Schutzhülle aus Glas 31 ist der optische
Konverter 3 sowie der Halter 29 für die Faser 4 mit darin angeordneter Faser 4 zu erkennen, welcher als längliche
Hülse in einem monolithischen Körper 32 angeordnet ist, der sowohl die Faser 4 mit deren Halterung 29 als auch den optischen Konverter 3 trägt. Eine Lichtfalle 33 ist ebenfalls vom monolithischen Körper 32 gehalten und weist an deren in Figur 9 zu erkennendem Ende ein stopfenförmiges Element 34 auf.
Mittels einer im monolithischen Körper 32 angeordneten Hülse 35 kann die Faser 4 mechanisch sicher am
Auskoppelkopf 30 gehalten werden. Eine Passung ist in Form einer rechteckförmigen Ausnehmung 36 an der Unterseite des monolithischen Körpers 32
ausgebildet, welche zusammen mit Schrägen 37, 38 und 39 definierter Abmessung die korrekt positionierte Anbringung des Auskoppelkopfs 30 an weiteren, in den Figuren nicht dargestellten Baugruppen ermöglicht. Hierdurch kann mit hoher mechanischer Präzision die Position des Leuchtflecks 10 auch in den weiteren, nicht dargestellten Baugruppen genutzt werden und werden sowohl die Passung 36 als auch die Schrägen 37, 38 und 39 mit mechanischen Toleranzen von weniger als 50 ym, bevorzugt mit weniger als 10 ym
gefertigt .
Eine weitere, am monolithischen Körper 32 ausgebildete rechteckförmige Ausnehmung 40 ist Figur 27 zu entnehmen, welche eine horizontal verlaufende, dreidimensionale
Schnittdarstellung des in Figur 9 gezeigten Auskoppelkopfes 30 zeigt, welche durch die Mitte des faseroptischen
Auskoppelkopfes 30 und durch die Mitte der Faser 4 des faseroptischen Konversionsmoduls verläuft.
Um der Einfachheit willen ist in Figur 27 nur der Faserkern der Faser 4 gezeigt. Der Durchmesser des lichtleitenden Kerns der Faser kann bei dieser sowie allen weiteren hier beschriebenen Ausführungsformen generell etwa 3 ym bis 1500 ym, bevorzugt etwa 3,5 ym bis 1000 ym und am bevorzugtesten etwa 50 ym bis 150 ym betragen.
Aus Figur 27 ist zu erkennen, dass die Lichtfalle 33 eine im monolithischen Körper 32 gehaltene Hülse 41 umfasst, welche das Element 34 aufnimmt, wobei dieses stopfenförmig in die Hülse 41 eingebracht ist und an dieser Hülse durch eine mechanische Sitzpassung mit Presssitz, Kleben, Löten oder auch Einschrauben gehalten sein kann. Die Hülse 40 kann in deren Innerem geschwärzt, aufgeraut oder mit in den Figuren nicht dargestellten Lichtfallen versehen sein, welche sich in der Hülse mit einem Dreiecksprofil radial erstrecken können.
Die Längs- oder Symmetrieachse der Hülse 40 ist auf den Leuchtfleck 10 des optischen Konverters 3 ausgerichtet und erstreckt sich unter einem Winkel, welcher dem
Reflexionswinkel des aus der Faser 4 ausgetretenen und am optischen Konverter 3 reflektierten Anregungslichts
entspricht. Hierdurch wird im Wesentlichen das gesamte, am optischen Konverter 3 reflektierte Anregungslicht von der Hülse 40 der Lichtfalle 33 aufgenommen.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen ist sowohl die Faser 4 in deren Halterung 29 als auch der optische Konverter 3 vor und nach der Justierung im monolithischen Körper 32 angeordnet, welcher bevorzugt durch ein
pulvermetallurgisches Spritzgießverfahren, insbesondere durch ein Metal-Inj ection-Mould-Verfahren (MIM) hergestellt ist und folglich hohe mechanische Festigkeit zusammen mit guter Wärmeleitfähigkeit bereitstellen kann.
Durch die in Figur 27 nur im Schnitt dargestellten
Windungen 111, 112, 113 der Induktionsspule 114 kann der monolithische Körper 32 definiert erwärmt werden, sodass der Konverter-Kühlkörperverbund 110 eine Temperatur von höher als Ts2 und niedriger als Tsl annimmt und sodass folglich dieser Verbund 110 durch die erweichte
Lotverbindung 102 am monolithischen Körper 32 montierbar und auch nach der Montage bei einem Wiedererwärmen auf diese Temperatur relativ zum monolithischen Körper 32 justierbar ist. Diese Art der Erwärmung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann bei jeder der hier beschriebenen Ausführungsformen durchgeführt werden. Auch nur die Erwärmung des Konverter- Kühlkörperverbunds, beispielsweise der in Figur 30
dargestellten Anordnung mit einem Kühlkörper 42 und einer Vielzahl optischer Konverter 3 ist hierdurch möglich.
Die erste Lotverbindung 101 zwischen dem optischen
Konverter 3, und dem Kühlkörper 42 sowie die zweite
Lotverbindung 102 zwischen dem Kühlkörper sowie dem
monolithischen Körper 32 sorgen sowohl für mechanisch festen Halt als auch gute Wärmeleitfähigkeit, sodass die Temperatur des optischen Konverters 3 im Betrieb nicht höher als 170°C bis 190°C wird. Hierbei kann die
abzugebende Wärme durch den monolithischen Körper 32 auch an die in den Figuren nicht dargestellten weiteren
Baugruppen weiter geleitet werden. Die Wärmeleitfähigkeit λ des monolithischen Körpers 32 ist zusammen mit dem Kühlkörper 42 größer als 200 W/ (m*K) und ist bevorzugt größer als 350 W/ (m*K) .
Bei dieser in Figur 27 dargestellten Ausführungsform ist der Konverter-Kühlkörperverbund mit der zweiten
Lotverbindung 102 an einer ebenen Bodenfläche 115 des monolithischen Körpers 32 gehalten.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann jedoch auch eine der in Figur 26 dargestellten Baugruppe 105 ähnliche Baugruppe 105' den Konverter-Kühlkörperverbund vorjustiert tragen und durch passgenaue Montage dieser Baugruppe 105' am monolithischen Körper 32 eine justierte Anordnung innerhalb des faseroptischen Auskoppelkopfes 30
bereitstellen. Hierzu muss lediglich die Baugruppe 105' in den monolithischen Körper 32 eingebracht werden, wie dies nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 28 und 29 detaillierter beschrieben wird.
Ein besonderer Vorteil dieser Ausführungsformen liegt in der flexiblen Verwendung der Konverter-Kühlkörperverbund - Baugruppen 110. Beispielsweise können vorkonfektionierte faseroptische Auskoppelköpfe 30 in hoher Stückzahl
kostengünstig gefertigt werden und diese mit selektierten vorgefertigten Konverter-Kühlkörperverbund-Baugruppen 110 bestückt werden. Für verschiedene spektrale Toleranzfelder, beispielsweise für Kraftfahrzeugscheinwerfer verschiedener Hersteller mit eigenen Toleranzfeldern können spektral selektierte, dem jeweiligen Hersteller zugeordnete Konverter- Kühlkörperverbund-Baugruppen 110 dann jeweils am
monolithischen Körper 32 angebracht werden um ein den
Herstellervorgaben entsprechendes faseroptisches
Konversionsmodul bereitzustellen. Auf diese Weise kann kundenspezifischen Anforderungen flexibel Rechnung getragen werden und müssen nur die jeweiligen Konverter- Kühlkörperverbund-Baugruppen 110 kundenspezifisch gefertigt und bevorratet werden.
Nachfolgend wir auf Figur 28 Bezug genommen, welche eine horizontal verlaufende, dreidimensionale Schnittdarstellung des in Figur 9 gezeigten Auskoppelkopfes 30 einer zweiten Ausführungsform, welche durch die Mitte des faseroptischen Auskoppelkopfes 30 und durch die Mitte der Faser 4 des faseroptischen Konversionsmoduls 1 verläuft, zeigt.
Dies Ausführungsform unterscheidet sich von der vorstehend beschriebenen durch die Anordnung des Konverter- Kühlkörperverbunds 110 auf einem Träger 116, an welchem diese Anordnung mittels der zweiten Lotverbindung 102 gehalten ist und zusammen mit diesem Träger 116 die einzeln handhabbare Baugruppe 105 ' definiert, welche in eine
zugeordnete passgenaue Ausnehmung 117 des monolithischen Körpers eingebracht werden kann, sodass für den optischen Konverter 3 bereits vorgenommene Justierungen unter Erhalt dieser Justierungen dann bereits zu einem endfertigen und korrekt justierten Auskoppelkopf 30 führen. Hierbei hat die Säulenform des Trägers 116 auch wärmeableitende Wirkung, da auch der Träger 116 mittels der zweiten Lotverbindung im monolithischen Körper 32 gehalten sein und an diesen die vom Kühlkörper 42 aufgenommene Wärme abgeben kann. Bei der in Figur 29 dargestellten dritten Ausführungsform ist der Kühlkörper 42 selbst auch seitlich in der
passgenauen Ausnehmung 117 aufgenommen und ersetzt
funktional durch seine Form auch den Träger 116. In dieser Ausführungsform entspricht die Baugruppe 105 'somit dem Konverter-Kühlkörperverbund 110 und ist dieser mit der zweiten Lotverbindung 102 gehalten am monolithischen Körper 32. Hierfür weist er eine von der in Figur 26 dargestellten Ausführungsform abweichende Form auf, um seitlich sowie in seiner Einschubrichtung mittels der zweiten Lotverbindung 102 definiert und justiert am monolithischen Körper 32 gehalten zu sein, welches für die Serienfertigung hilfreich ist, da dann auf weitere Justierungen verzichtet werden kann, insbesondere wenn bereits die passgenaue Aufnahme in der Ausnehmung 117 die für eine endgültige Justierung benötigten Toleranzen bereitstellt.
Alternativ kann die Ausnehmung 117 größer als die
seitlichen Abmessungen der Baugruppe 105' sein und einen Spalt 103 definieren, welcher mit dem zweiten Lot gefüllt ist. Dann kann die zweite Lotverbindung 102 es mit einem durch den Spalt 103 definierten Spiel gestatten, die
Justierung der Lage der Baugruppe 105' vorzunehmen und somit die Lage des optischen Konverters 3 zu justieren.
Hierzu kann ein in den Figuren nicht dargestellter Hexapod die Baugruppe 105' bzw. 110 tragen und korrekt justiert zu halten, zumindest bis die zweite Lotverbindung hergestellt ist .
Figur 30 zeigt einen Konverter-Kühlkörperverbund 105', 110, bei welchem eine Vielzahl von optischen Konvertern 3 auf zumindest einem Kühlkörper 42 angebracht sind, sodass diese gemeinsam mit dem zumindest einen Kühlkörper 42 auf eine Temperatur oberhalb von Tsl erwärmt werden können und hierbei die erste Lotverbindung 101 hergestellt werden kann .
Zur Korrekten Positionierung des optischen Konverters 3 relativ zum Kühlkörper 42 können jeweils Vorsprünge 118, 119, 120, 121 vom Kühlkörper 42 hervorstehen, welche den optischen Konverter 3 passgenau seitlich umgreifen und hierdurch dessen lateral korrekt justierte Lage
sicherstellen .
Nach Herstellen der ersten Lotverbindung 101 können dann jeweils Konverter-Kühlkörperverbunde 110, vorzugsweise entlang der mechanisch durch Furchen 122 bis 129
geschwächten Linien abgetrennt und hierdurch vereinzelt werden . Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen wird zunächst die erste Lotverbindung 101, vorzugsweise bei einer Temperatur von höher oder gleich Tsl, hergestellt und wird danach die zweite Lotverbindung 102 hergestellt. Danach, jedoch nicht zwingend im zeitlich unmittelbarer Folge, wird die zweite Lotverbindung 102 bei einer
Temperatur hergestellt, welche höher ist als Ts2 und dauerhaft Tsl nicht überschreitet, sodass zumindest während der Herstellung der zweiten Lotverbindung 102 die erste Lotverbindung 101 nicht derart geschwächt wird, dass die
Anordnung des optischen Konverters 3 relativ zum Kühlkörper 42 merklich verändert wird. Soweit durch die Temperaturerhöhung, welche mit dem
Herstellen der Lotverbindungen einhergeht, beispielsweise bei der ersten Ausführungsform Material der Faser 4 thermisch geschädigt werden kann, ist es möglich diese Faser 4 mit deren Halter 29 auch erst nach Herstellen der ersten und/oder zweiten Lotverbindung 101, 102 am
monolithischen Körper 32 anzubringen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des
Herstellungsverfahrens kann beim Herstellen der jeweiligen Lotverbindung ein Erwärmen der Anordnung mit zumindest einem optischen Konverter 3 und zumindest einem Kühlkörper 42 durch Einbringen in einen Ofen mit einer Temperatur oberhalb von Tsl oder Ts2 erfolgen, wobei die
Mindestaufenthaltsdauer der Anordnung aus zumindest einem optischen Konverter und zumindest einem Kühlkörper im Ofen die Einstellung eines Temperaturgleichgewichts gestattet.
Derartige Öfen sind dem Fachmann wohlbekannt und folglich in den Figuren nicht dargestellt.
Alternativ oder zusätzlich zur vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann ein Erwärmen der Anordnung mit zumindest einem optischen Konverter 3 und zumindest einem Kühlkörper 42 durch lokales Erwärmen, insbesondere durch einen mechanischen Wärmekontakt, beispielsweise durch Kontakt mit einem vorzugsweise thermisch gesteuerten
Heizelement 114, Kontakt mit einem erwärmten Körper, beispielsweise einem erwärmten monolithischen Körper 32, welcher vorpositionierte Baugruppen trägt und
beispielsweise selbst induktiv erwärmt ist, erfolgen. Auch die in Figur 30 dargestellten Baugruppen können auf diese Weise erwärmt werden. ein Erwärmen der Anordnung mit zumindest einem optischen Konverter und zumindest einem Kühlkörper durch lokales Erwärmen, insbesondere Erwärmen durch Strahlung,
fokussierte thermische Strahlung, Laserstrahlung,
insbesondere auch gepulste Laserstrahlung erfolgt.
Ein Erwärmen zur Herstellung der jeweiligen Lotverbindung 101, 102 der Anordnung mit zumindest einem optischen
Konverter 3 und zumindest einem Kühlkörper 42 sowie
vorzugsweise einer weiteren optischen Baugruppe 32 kann auch bei vermindertem Umgebungsdruck erfolgen und dabei insbesondere verminderter Umgebungsdruck herrschen, bis die jeweilige Lotverbindung 101, 102 hergestellt ist.
Hierbei liegt der Schmelzpunkt Tsl bei 250 °C bis 450 °C, bevorzugt bei 280 °C bis 320 °C sowie besonders bevorzugt bei etwa 300 °C und liegt der Schmelzpunkt Ts2 bei 150 °C bis 245 °C, bevorzugt bei 180 °C bis 230 °C sowie besonders bevorzugt bei etwa 220 °C. Das erste Lot kann dabei ein Ag/Au-Lot und das zweite Lot ein Ag/Sn-Lot sein.
Der Kühlkörper 42 kann Stahl-, Aluminium-, Kupfer- und/oder Bronze-Legierungen umfassen und insbesondere auch durch ein Metal-Inj ection-Mould-Verfahren (MIM) hergestellt sein. Besonders vorteilhaft können die vorstehend beschriebenen faseroptischen Konversionsmodule in
Kraftfahrzeugscheinwerfern eingesetzt werden oder
Kraftfahrzeugscheinwerfer diese, auch als integrales
Bauteil erfassen, da hiermit sowohl hervorragend justierte, in der Regel gegenüber mechanischen und thermischen
Einflüssen dauerbetriebsfeste Einheiten bereitgestellt werden .
Bezugs zeichenliste
1 faseroptisches Konversionsmodul
2 Lichtleiter,
3 optischer Konverter
4 optischer Faserwellenleiter, Faser
5 Anregungslicht
6 Normale der Austrittsfläche
7 Austrittsflache
8 Längsachse der Faser 4
9 Hauptstrahl
10 Leuchtfleck
11 Nutzlicht
12 Öffnungskegel des Nutzlichts 11
13 Randstrahl des Nutzlichtkegels 12
14 Randstrahl des Nutzlichtkegels 12
15 lichtführende optische Faser
16 Hauptstrahl des aus der Faser 15 austretenden Lichts
17 Halterung der Faser 15
18 lichtführende optische Faser
19 Hauptstrahl des aus der Faser 18 tretenden Lichts
20 Halterung der Faser 18
21 optisches System
22 bikonvexe Linse
23 C02-Laser
24 GalvanometerScanner
25 Licht des C02-Lasers
26 Fokus des Lichts des C02-Lasers
27 Bilderfassungseinrichtung
28 ProzessSteuerungseinrichtung
29 Halterung der Faser 4
30 Auskoppelkopf
31 Schutzhülle aus Glas
32 monolithischer Körper
33 Lichtfalle
34 Element der Lichtfalle
35 Hülse
35' Hülse
36 rechteckförmige Ausnehmung
37 Schräge
38 Schräge
39 Schräge
40 rechteckförmige Ausnehmung
41 Hülse
42 Kühlkörper
43 Flansch
44 Anschlag
45 Streufläche 46 Seitenfläche
47 Seitenfläche
48 Öffnung
49 Öffnung
50 Halter für den optischen Konverter
51 Berandung für die Halterung des optischen Konverters
52 Berandung für die Halterung des optischen Konverters
53 Vorsprung
54 Vorsprung
55 Längenskala
56 geschlossenes, verrundetes Ende der Schutzhülle aus Glas
57 offenes Ende der Schutzhülle aus Glas
58 Passfläche
59 Passfläche
60 Passfläche
61 Schrägfläche
62 Schrägfläche
63 kegelstumpfartige Öffnung
64 Durchgangsöffnung
65 Furche
66 reflektiertes Anregungslicht
67 fresnelsche Zonenplatte
68 Öffnung
69 Seitenwand
70 Boden
101 erste Lotverbindung
102 zweite Lotverbindung
103 Spalt
104 Beschichtung
110 Konverter-Kühlkörperverbund
105 Baugruppe
105' Baugruppe
106 Passfläche
107 Passfläche
108 Passfläche
109 Passfläche
111 Windung
112 Windung
113 Windung
114 Induktionsspule, Heizelement
116 Träger
117 Ausnehmung
118 Vorsprung
119 Vorsprung
120 Vorsprung
121 Vorsprung
122 Furche 123 Furche
124 Furche
125 Furche
126 Furche
127 Furche
128 Furche
129 Furche
200 Beieuchtungseinrichtung
220 Trägerelement
221 Konverter
222 Lichtblende
223 reflektierende Fläche
224 Schutzhülle
225 Ausnehmung
226 Anschlag
227 Bohrung
230 Auskoppelkopf
231 Einsatzelement
232 Einsatzelement
233 Distanzelement
234 Vorsprung
235 Montageschacht
240 optisches Element
250 faseroptischen Lichtleiter
260 Auskoppelkopf
261 Reflektor
262 kreisförmige Öffnung
263 Schlitz
264 optisches Element
265 Unterseite
266 Oberseite

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Justierung eines Leuchtflecks von aus zumindest einem Lichtleiter austretendem Licht 6 auf einem optischen Konverter 3, wobei der Lichtleiter eine das Licht leitende Faser 2 umfasst, bei welchem die Normale der Austrittsfläche 7 der Faser einen von 0° verschiedenen Winkel relativ zur Längsachse 6 der Faser 2 aufweist, wobei durch die Einstellung des
Winkels die Lage des Leuchtflecks auf dem Konverter justiert wird.
Verfahren zur Justierung eines Leuchtflecks nach
Anspruch 1, bei welchem die Faser in einer Halterung festgelegt wird und nach deren Festlegung in der
Halterung der Winkel eingestellt und die Lage des Leuchtflecks justiert wird.
Verfahren zur Justierung eines Leuchtflecks nach
Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Austrittsfläche 7 der Faser während der Justierung, insbesondere
materialabtragend, derart bearbeitet wird, dass sich der Winkel der Austrittsfläche 7 ändert.
Verfahren zur Justierung eines Leuchtflecks nach
Anspruch 1, 2 oder 3, bei welchem die Austrittsfläche 7 der Faser während der Justierung unter Verwendung von Laserlicht materialabtragend bearbeitet wird.
Verfahren zur Justierung eines Leuchtflecks nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem bei der materialabtragenden Bearbeitung der Abstand der
Austrittsfläche 7 der Faser relativ zum optischen
Konverter eingestellt wird, wobei der Abstand der Faser zum optischen Konverter den Abstand des
Austrittspunktes des Hauptstrahls 9 aus der Faser 4 zum optischen Konverter 3 bezeichnet.
Verfahren zur Justierung eines Leuchtflecks nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die
Austrittsfläche 7 der Faser während der Justierung, insbesondere unter Verwendung von Laserlicht
materialabtragend derart bearbeitet wird, dass sich eine ebene, sich unter einem justierten Winkel
erstreckende Fläche ergibt.
Verfahren zur Justierung eines Leuchtflecks nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die
Austrittsfläche 7 der Faser während der Justierung, insbesondere unter Verwendung von Laserlicht,
materialabtragend derart bearbeitet wird, dass sich eine nicht-ebene, insbesondere gewölbte Austrittsfläche 7 der Faser ergibt.
Verfahren zur Justierung eines Leuchtflecks nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem sowohl die Faser in deren Halterung als auch der optische
Konverter vor und nach der Justierung in einem
monolithischen Körper angeordnet sind.
Verfahren zur Justierung eines Leuchtflecks nach
Anspruch 8, bei welchem der monolithische Körper durch ein pulvermetallurgisches Spritzgießverfahren, insbesondere durch ein Metal-Inj ection-Mould-Verfahren (MIM) hergestellt wird.
10. Verfahren zur Justierung eines Leuchtflecks nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Durchmesser des Leuchtflecks auf dem optischen Konverter eine Größe von 0,5 ym bis 800 ym, bevorzugt eine Größe von 1 ym bis 500 ym und am bevorzugtesten eine Größe von 5 ym bis 300 ym aufweist.
11. Verfahren zur Justierung eines Leuchtflecks nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die laterale Abweichung der Lage des Leuchtflecks auf dem optischen Konverter insbesondere nach der Justierung kleiner als 200 ym, bevorzugt kleiner als 150 ym und besonderes bevorzugt kleiner als 100 ym ist.
12. Verfahren zur Justierung eines Leuchtflecks nach
Anspruch 5 oder 11, bei welchem die Abweichung des Abstands der Austrittsfläche 7 der Faser zur Oberfläche des optischen Konverters nach der Justierung kleiner als 500 ym, bevorzugt kleiner als 250 ym und besonderes bevorzugt kleiner als 100 ym ist. 13. Verfahren zur Justierung eines Leuchtflecks nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem der Winkel nach dessen Justierung etwa 10° bis 30°, bevorzugt etwa 15° bis 25°, besonders bevorzugt etwa 18° bis 22° beträgt . Verfahren zur Justierung eines Leuchtflecks nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welchem die Wölbung der Austrittsfläche 7 zylindrisch konvex und insbesondere der hierdurch erzeugte Leuchtfleck 10 auf dem optischen Konverter 3 kreisförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung umfassend einen Lichtleiter, aus welchem Licht austritt und zumindest zu einem wesentlichen Teil auf einen optischen Konverter trifft, auf welchem hierdurch ein Leuchtfleck entsteht, bei welcher die Austrittsfläche 7 der Faser einen von 0° verschiedenen Winkel relativ zur Längsachse der Faser aufweist, wobei insbesondere durch die Einstellung des Winkels die Lage des Leuchtflecks auf dem Konverter justiert ist, insbesondere mit einem Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche justiert ist.
Vorrichtung nach vorstehendem Anspruch, ferner
umfassend eine Lichtfalle für aus der Faser
austretendes, reflektiertes Licht.
Vorrichtung nach einem der beiden vorstehenden
Ansprüche, umfassend mehr als einen Lichtleiter, aus welchem jeweils Licht austritt und jeweils zumindest zu einem wesentlichen Teil auf einen optischen Konverter trifft, auf welchem hierdurch jeweils ein Leuchtfleck entsteht, bei welcher die Austrittsfläche 7 der Faser jeweils einen von 0° verschiedenen Winkel relativ zur Längsachse der Faser aufweist, wobei vorzugsweise auch durch die Einstellung des Winkels die Lage des
Leuchtflecks auf dem Konverter justiert ist,
insbesondere gemäß einem der vorstehenden Ansprüche justiert ist und die jeweiligen Leuchtflecke sich auf dem optischen Konverter zumindest zu einem wesentlichen Anteil überlagern.
Scheinwerfer umfassend eine Vorrichtung nach Anspruch 15, 16 oder 17.
Projektionseinrichtung, insbesondere digitale
Projektionseinrichtung umfassend eine Vorrichtung nach Anspruch 15, 16 oder 17.
Faseroptisches Konversionsmodul als Teil einer
Beleuchtungseinrichtung, das Nutzlicht gemischt aus kurzwelligerem Anregungslicht und langwelligerem
Konversionslicht abgibt, umfassend:
- ein Trägerelement,
- einen Auskoppelkopf, und
- einen faseroptischen Lichtleiter, wobei
- der Auskoppelkopf zur Positionierung und
Halterung eines Lichtaustrittsendes des
Lichtleiters ausgebildet ist,
- der faseroptische Lichtleiter an seinem
Lichteintrittsende zur Ankopplung an eine
zugeordnete Anregungslichtquelle ausgebildet ist,
- das Lichtaustrittsende des Lichtleiters zur
Abgabe von Anregungslicht in vorgegebener
Strahlrichtung eingerichtet ist, und wobei
- das Trägerelement eingerichtet ist zum Haltern eines Konverters,
- das Trägerelement Mittel zum Verbinden mit dem Auskoppelkopf derart umfasst, dass - der Konverter in Strahlrichtung des aus dem Lichtaustrittsende des Lichtleiters austretenden Anregungslichtes liegt, und dabei geneigt zur Strahlrichtung des Anregungslichtes angeordnet ist, wobei
- ein vordefinierter Abstand zwischen dem
Mittelpunkt des Konverters und dem
Lichtaustrittsende des Lichtleiters gegeben ist, und wobei
- der Konverter der Konversion des kurzwelligeren
Anregungslichtes in das langwelligere
Konversionslicht und der Emission des gemischten Nutzlichtes dient. 21. Faseroptisches Konversionsmodul nach vorstehendem
Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der
Auskoppelkopf ein Einsatzteil zur Positionierung und Halterung des Lichtaustrittsendes einer einzelnen Lichtleitfaser umfasst.
22. Faseroptisches Konversionsmodul nach einem der
vorstehenden Ansprüche 20 oder 21, dadurch
gekennzeichnet, dass der Ankoppelkopf zumindest teilweise als Reflektor ausgebildet ist oder einen Reflektor umfasst.
23. Faseroptisches Konversionsmodul nach einem der
vorstehenden Ansprüche 20, 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement zumindest teilweise als Reflektor ausgebildet ist oder einen
Reflektor umfasst.
24. Faseroptisches Konversionsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 23, dadurch
gekennzeichnet, dass das Lichtaustrittsende der Lichtleitfaser in montierter Position derart angeordnet ist, dass es außerhalb des nutzbaren Abstrahlwinkels liegt und/oder nicht in den
Reflektor hineinragt.
25. Faseroptisches Konversionsmodul nach einem der
vorstehenden Ansprüche 20 bis 24, dadurch
gekennzeichnet, dass das Trägerelement aus einem temperaturstabilen Werkstoff, bevorzugt aus einem Sintermaterial und besonders bevorzugt aus einem metallischen Sintermaterial gefertigt ist.
26. Faseroptisches Konversionsmodul nach einem der
vorstehenden Ansprüche 20 bis 25, dadurch
gekennzeichnet, dass eine lichtdurchlässige
Schutzhülle zum Schutz des Konverters und/oder des Lichtaustrittsendes des Lichtleiters vorgesehen ist, bevorzugt aus Glas und besonders bevorzugt aus einem gehärteten Glas.
27. Faseroptisches Konversionsmodul nach einem der
vorstehenden Ansprüche 20 bis 26, dadurch
gekennzeichnet, dass Mittel vorgesehen sind, um den Abstand zwischen dem Lichtaustrittsende des
Lichtleiters und dem Mittelpunkt des Konverters, ausgehend von einem vorbestimmten Abstand, nach erfolgter Montage zu verändern, vorzugsweise in einem Bereich von 0,05 mm bis zu 5 mm.
8. Faseroptisches Konversionsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 27, dadurch
gekennzeichnet, dass ein fokussierendes optisches Element vorgesehen ist, welches koaxial zu der Lichtleiterfaser in Strahlrichtung zwischen dem Lichtaustrittsende und dem Konverter angeordnet ist .
9. Faseroptisches Konversionsmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche 20 bis 28, dadurch
gekennzeichnet, dass die Lichtleitfaser in den Auskoppelkopf eingeschoben und geklemmt und/oder geklebt wird.
.Verfahren zur Herstellung eines Konverter- Kühlkörperverbunds mit
einem optischen Konverter zur zumindest
teilweisen Umwandlung von Licht einer ersten Wellenlänge in Licht einer zweiten Wellenlänge, und
einem Kühlkörper,
bei welchem zumindest Teile der Oberfläche des optischen Konverters unmittelbar mit einer metallhaltigen Beschichtung beschichtet sind, wobei die metallhaltige Beschichtung die Wärme aus dem Konverter in den Kühlkörper ableiten kann,
der Kühlkörper über eine metallische
Lotverbindung mit dem optischen Konverter, insbesondere mit der metallhaltigen Beschichtun verbunden wird und bei welchem der Kühlkörper und/oder der optische Konverter mit einer weiteren Lotverbindung mit einer weiteren Baugruppe verbunden werden.
Verfahren zur Herstellung eines Konverter- Kühlkörperverbunds nach Anspruch 30, bei welchem die zweite Lotverbindung ein Lot umfasst, welches einen niedrigeren Schmelzpunkt Ts2 aufweist als der
Schmelzpunkt Tsl des Lots der ersten Lotverbindung.
Verfahren zur Herstellung eines Konverter- Kühlkörperverbunds nach Anspruch 30 oder 31, bei welchem zunächst die erste Lotverbindung,
vorzugsweise bei einer Temperatur von höher oder gleich Tsl, hergestellt wird und danach die zweite Lotverbindung hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung eines Konverter- Kühlkörperverbunds nach einem der Ansprüche 30 bis 32, bei welchem, die zweite Lotverbindung bei einer Temperatur hergestellt wird, welche höher ist als Ts2 und dauerhaft Tsl nicht überschreitet, sodass
zumindest während der Herstellung der zweiten
Lotverbindung die erste Lotverbindung nicht derart geschwächt wird, dass die Anordnung des optischen Konverters relativ zum Kühlkörper merklich verändert wird .
Verfahren zur Herstellung eines Konverter- Kühlkörperverbunds einem der Ansprüche 30 bis 33, bei welchem zur Herstellung der jeweiligen Lotverbindung ein Erwärmen der Anordnung mit zumindest einem optischen Konverter und zumindest einem Kühlkörper durch lokales Erwärmen, insbesondere durch einen mechanischen Wärmekontakt, beispielsweise durch
Kontakt mit einem vorzugsweise thermisch gesteuerten Heizelement, Kontakt mit einem erwärmten Körper, beispielsweise einem erwärmten monolithischen Körper welcher vorpositionierte Baugruppen trägt und
beispielsweise selbst induktiv erwärmt ist, erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Konverter- Kühlkörperverbunds nach einem der Ansprüche 30 bis 34, bei welchem zur Herstellung der jeweiligen
Lotverbindung ein Erwärmen der Anordnung mit
zumindest einem optischen Konverter und zumindest einem Kühlkörper durch lokales Erwärmen, insbesondere Erwärmen durch Strahlung, fokussierte thermische Strahlung, Laserstrahlung, insbesondere auch gepulste Laserstrahlung erfolgt.
Verfahren zur Herstellung eines Konverter- Kühlkörperverbunds nach einem der Ansprüche 30 bis
35, bei welchem der Schmelzpunkt Tsl bei 250 °C bis 450 °C, bevorzugt bei 280 °C bis 320 °C sowie
besonders bevorzugt bei etwa 300 °C liegt.
Verfahren zur Herstellung eines Konverter- Kühlkörperverbunds nach einem der Ansprüche 30 bis
36, bei welchem der Schmelzpunkt Ts2 bei 150 °C bis 245 °C, bevorzugt bei 180 °C bis 230 °C sowie
besonders bevorzugt bei etwa 220 °C liegt. Verfahren zur Herstellung eines Konverter- Kühlkörperverbunds nach einem der vorstehenden
Ansprüche 30 bis 37, bei welchem der optische
Konverter jeweils von am Kühlkörper angebrachten Halterungen im Wesentlichen korrekt positioniert aufgenommen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Konverter- Kühlkörperverbunds nach einem der vorstehenden
Ansprüche 30 bis 38, bei welchem von dem zumindest einen Kühlkörper wenigstens ein Teil abgetrennt wird, welches zumindest einen optischen Konverter trägt und einen Konverter-Kühlkörperverbund mit diesem bildet.
Verfahren zur Herstellung einer optischen Baugruppe, insbesondere eines Auskoppelkopfes eines
faseroptischen Konversionsmoduls, bei welchem ein nach einem der vorstehenden Ansprüche hergestellter Konverter-Kühlkörperverbund an einem Auskoppelkopf eines faseroptischen Konversionsmoduls befestig wird.
Konverter-Kühlkörperverbünd umfassend
- einen optischen Konverter zur zumindest
teilweisen Umwandlung von Licht einer ersten Wellenlänge in Licht einer zweiten Wellenlänge,
- eine metallhaltige, reflektierende Beschichtung,
- sowie einen Kühlkörper,
- wobei vorzugsweise zumindest Teile der
Oberfläche des optischen Konverters unmittelbar mit der metallhaltigen Beschichtung beschichtet sind, - die metallhaltige Beschichtung die Wärme aus dem Konverter in den Kühlkörper ableiten kann,
- der Kühlkörper über eine metallische
Lotverbindung mit dem optischen Konverter, insbesondere der metallhaltigen Beschichtung verbunden ist und
- der Kühlkörper und/oder der optischen Konverter mit einer weiteren Lotverbindung mit einer weiteren Baugruppe verbunden ist.
Konverter-Kühlkörperverbund nach Anspruch 41, bei welchem die zweite Lotverbindung ein Lot umfasst, welches einen niedrigeren Schmelzpunkt Ts2 aufweist als der Schmelzpunkt Tsl des Lots der ersten
Lotverbindung .
Konverter-Kühlkörperverbünd nach einem der Ansprüche 41 oder 42, bei welchem das erste Lot ein Ag/Au-Lot ist .
Konverter-Kühlkörperverbund nach einem der Ansprüche von 41 bis 43, bei welchem das zweite Lot ein Ag/Sn- Lot ist.
Konverter-Kühlkörperverbund nach einem der Ansprüche von 41 bis 44, bei welchem eine Vielzahl von
optischen Konvertern auf einen Kühlkörper aufgelötet sind, welcher zur Vereinzelung mechanisch geschwächte Bereiche aufweist.
Konverter-Kühlkörperverbund nach einem der Ansprüche von 41 bis 45, bei welchem der Kühlkörper, Stahl-, Aluminium-, Kupfer- und/oder Bronze-Legierungen umfasst .
Konverter-Kühlkörperverbund nach einem der Ansprüche von 41 bis 46, bei welchem die weitere Baugruppe ein Auskoppelkopf eines faseroptischen Konversionsmoduls ist .
Auskoppelkopf eines faseroptischen Konversionsmoduls umfassend einen Konverter-Kühlkörperverbund nach einem der Ansprüche von 41 bis 47.
Faseroptisches Konversionsmodul umfassend einen Auskoppelkopf nach Anspruch 48.
Scheinwerfer eines Fahrzeugs, insbesondere Land-, Wasser oder Luftfahrzeug, umfassend ein
faseroptisches Konversionsmodu 1 nach Anspruch 18 ode
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