DE102012005654B4

DE102012005654B4 - Optischer Konverter für hohe Leuchtdichten

Info

Publication number: DE102012005654B4
Application number: DE102012005654.0A
Authority: DE
Inventors: Volker Hagemann; Yvonne Menke; Peter Nass; Bernd Hoppe; Rainer Liebald; Hauke Esemann; Nikolaus Schultz; Günter Weidmann; Wolfram Beier
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2021-03-04
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: US9738828B2; WO2013060731A3; US20150070907A1; WO2013060731A2; JP2015503180A; EP2771430A2; JP2018185542A; JP6754548B2; CN103906822A; DE102012005654A1; JP6761006B2; CN108753292A

Abstract

Konverteranordnung zur Erzeugung von farbigem oder weißem Nutzlicht hoher Leuchtdichte für Projektoren, Bühnenscheinwerfer, Autoscheinwerfer oder Lampen mit hoher Leuchtdichte und hoher Spektraldichte, wobei eine möglichst vollständige Auskopplung des konvertierten Lichtes bei gleichzeitig räumlich kleinem Emissionsfleck erreicht werden soll, umfassend:- einen Konverterkörper (1) mit einer Anregungsseite und einer abgewandten Seite, enthaltend eine Optokeramik mit YAG-Keramik oder LuAG- Keramik mit eingelagerter Kornstruktur zu Zwecken starker Lichtstreuung,- eine Anregungslichtquelle mit einem Lichtbündelquerschnitt, der den zu erreichenden, räumlich kleinen Emissionsfleck bestimmt, wobei die Anregungslichtquelle zur Bestrahlung des Konverterkörpers (1) mit blauem Anregungslicht hoher Leistungsdichte angeordnet ist, das einen blauen Lichtstreufleck sowie sekundär den Emissionsfleck erzeugt, der größer als der Lichtbündelquerschnitt der Anregungslichtquelle ist,- wobei die Dicke des Konverterkörpers (1) zwischen Anregungsseite und der abgewandten Seite genügend dünn gewählt ist, um einerseits eine Ausweitung des Licht- Streuflecks zu minimieren und andererseits eine ausreichende Konversion des blauen Anregungslichtes im Hinblick auf Farbe des Nutzlichtes zu bewirken.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Konverter zur Erzeugung von farbigem oder weißem Nutzlicht hoher Leuchtdichte für Projektoren, Bühnenscheinwerfer, Autoscheinwerfer oder Lampen mit hoher Leuchtdichte und hoher Spektraldichte, wobei eine möglichst vollständige Auskopplung des konvertierten Lichtes bei gleichzeitig räumlich kleinem Emissionsfleck erreicht werden soll.
Durch Absorptions- und Emissionsprozesse im Konvertermaterial wird das kurzwelligere Anregungslicht in remittiertes Licht mit größerer Wellenlänge umgewandelt.
Unter einem Konverter wird im Sinne der Erfindung der Teil einer Vorrichtung zur optischen Konversion verstanden, in welchem die Konversion erfolgt. Der Konverter besteht dabei aus einem Konvertermaterial. Konvertermaterialien enthalten Leuchtstoffe, welche als optisch aktive Medien die Konversion bewirken. Konvertermaterialien können unterschiedlich hohe Leuchtstoff-Dichten aufweisen. Der Ausdruck „Leuchtstoff-Dichte“ bezieht sich auf die Verteilung des Leuchtstoffes bzw. der Leuchtstoff-Partikel im Konvertermaterial. So kann der Leuchtstoff im Konvertermaterial in einer passiven Matrix vorliegen. Es sind jedoch auch Konvertermaterialien möglich, bei denen das gesamte Konvertermaterial als Leuchtstoff fungiert.
Bei der optischen Konversion entsteht durch die sogenannten Stokes-Verluste immer auch Wärme im Konverter. Die Stokes-Verluste ergeben sich aus der Differenz der Photonenenergie von Anregungslicht und emittiertem Licht. So werden typischerweise 20-30% der eingebrachten optischen Leistung in Wärme umgewandelt. Dies gilt selbst für Konvertermaterialien mit einer Quanteneffizienz von 1. Der Wärmeeintrag in den Konverter führt zu einer Temperaturerhöhung des Konvertermaterials.
Die hohen Temperaturen im Konvertermaterial führen aus mehreren Gründen zu einer Schwächung oder Begrenzung der Konversion und somit zu einer Begrenzung der zu erreichenden Leuchtdichten. So kann das Konvertermaterial durch die hohen Temperaturen zerstört werden. Die Zerstörtemperatur T_fail ist eine materialspezifische Eigenschaft. Verschiedene Materialien können somit unterschiedlich hohe Zerstörtemperaturen aufweisen. Die Zerstörtemperatur beeinflusst maßgeblich die maximale Konvertertemperatur T_konv, d.h. die maximale Temperatur, bei welcher der Konverter betrieben werden kann.
Begrenzend auf die zu erreichenden Leuchtdichten wirkt sich dies insbesondere bei Konvertersystemen aus, bei denen der Leuchtstoff in eine Matrix aus Silikon oder einem anderen organischen Binder eingebettet ist. Bei sog. „phosphor-in-silicon“ Konvertern, PIS liegt die Zerstörschwelle mit T_fai| im Bereich von 100 bis 120 °C.
Unabhängig von der Zerstörschwelle der jeweils verwendeten Konvertermaterialien verringert sich durch den Effekt des Thermoquenchings die Quanteneffizienz. Zudem kann es bei höheren Temperaturen zu einer Verschiebung der Absorptionsbande zu längeren Wellenlängen kommen, welche zu einer Erhöhung der Selbstabsorption und somit ebenfalls zu einer Verringerung der Leuchtdichte führt.
Um dennoch Konverter mit hohen Leuchtdichten zu erhalten, sind aus dem Stand der Technik Aufbauten, bei denen sich das Konvertermaterial auf einer rotierenden Scheibe befindet, bekannt. So beschreibt die Patentanmeldung US 2009/0073591 A1 einen Konverter mit einem auf einem rotierenden Trägerrad applizierten Konvertermaterial. Durch die dynamische Bauweise kann die Wärmeleistung auf eine größere Fläche verteilt und die Temperaturgrenze so eingehalten werden.
Ein ähnlicher Aufbau wird auch in der Patentanmeldung US 2009 / 0 034 284 A1 beschrieben. Nachteilig bei diesem Ansatz ist jedoch der zwingend notwenige Einsatz eines Trägerrades und dessen nachteiligen Einfluss auf die Größe des Konverters. Zudem bedingen die großen Trägerräder einen höheren Materialeinsatz als beispielsweise bei einem statischen Aufbau. Zudem können die beweglichen Bauteile eine störende Geräuschentwicklung verursachen, oder verschleißen.
Daher sieht die WO 2009/ 115 976 A1 A die Verwendung einer Wärmesenke vor. Hierbei wird das Konvertermaterial statisch auf einer Wärmesenke appliziert. Dieses Design ist dabei auf in Remission betriebenen Konverter beschränkt. Zudem ist die zu erreichende Wärmeableitung von der Wärmeleitfähigkeit des verwendeten Konvertermaterials abhängig.
Aus US 2010/0067233 A1 ist eine Konverteranordnung zur Emittierung von Mischlicht bekannt, bei dem ein Schichtaufbau von flächig abstrahlenden Lichtquellen und eines unmittelbar angrenzenden, Licht konvertierenden Elements anzutreffen ist, der seitlich von Spiegelflächen begrenzt wird und innerhalb eines Linsenraums angeordnet ist. Das Mischlicht aus primärer und sekundärer Strahlung ist im Wesentlichen unabhängig vom Blickwinkel, das heißt strahlt gleichmäßig in einen Nutzraum hinein.
WO 2009/094994 A1 betrifft ein opto-elektronisches Modul und eine Projektionsvorrichtung mit diesem opto-elektronischen Modul, das monochromatische Strahlung im sichtbaren Wellenlängenbereich abgibt und hierzu auf der flächigen Lichtabgabenseite Sperrfilter für das UV-Anregungslicht aufweist.
Aus WO 2010/010484 A1 geht eine Lichtemissionseinrichtung mit einer Konverterschicht aus Sinterkeramik mit einer mit dieser verbundenen Lichtzerstreuungsschicht aus porösem Material und mit einer Lichtemissionsdiode hervor.
Die US 2005/0269582 A1 beschreibt eine Halbleiter-Lichtemissionseinrichtung in Verbund mit einem Konverter als keramischer Schicht.
Üblicherweise werden als Konvertermaterialien auf Leuchtstoffe basierte Materialen, beispielsweise eingebettet in Silikon oder Glas oder Quantendots verwendet. Insbesondere Konvertermaterialien auf Silikonbasis zeigen niedrige Zerstörtemperaturen von ca. 100-120 °C sowie geringe Wärmeleitfähigkeiten. Hinzu kommt, dass bei der Verwendung von Leuchtstoffpartikeln in einer Matrix die Brechzahldifferenz nur begrenzt über Dotierung und Korngröße der Leuchtstoffpartikel variiert werden kann. Dies hat zur Folge, dass die Absorption des Anregungslichts und die Streuung im Konverterkörper nicht unabhängig voneinander eingestellt werden können.
Die Streueigenschaften des Konvertermaterials beeinflussen sowohl die Streuung des konvertierten Lichtes als auch die Streuung des Anregungslichts und sind daher ein wichtiger optischer Parameter.
Für die Erzeugung hoher Leuchtdichten ist eine möglichst vollständige Auskopplung des konvertierten Lichtes bei gleichzeitig räumlich kleinem Emissionsfleck vorteilhaft. Der Emissionsfleck wird durch den Lichtbündelquerschnitt des Anregungslichtes und die Leuchtdichte durch den emittierten Lichtstrom pro Flächenelement der Konverteroberfläche bestimmt. Wegen der endlichen Eindringtiefe des Anregungslichtes und wegen der Lichtstreuung im Konvertermaterial ist der Emissionsfleck größer als der Lichtbündelquerschnitt der Anregungslichtquelle. Der Emissionsfleck ist bei stark streuendem Konvertermaterial kleiner als bei schwach streuendem Konvertermaterial, hängt jedoch auch von der Konverterdicke und von den Reflexionseigenschaften der Konverteroberfläche ab.
Eine hohe Leuchtdichte kann durch stark streuendes Material erreicht werden. Streut das Material jedoch so stark, dass auch das Anregungslicht remittiert wird, bevor es absorbiert wird, sinkt der Anteil des konvertierten Lichts.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Konverter zur Erzeugung von weißem oder farbigem Licht mit hoher Leuchtdichte bereit zu stellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst und durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche ausgestaltet und weitergebildet.
Der erfindungsgemäße Konverter besteht aus einer dotierten YAG-Keramik oder LuAG-Keramik, die eine Optokeramik mit eingelagerter Kornstruktur darstellen, welche Konversionszentren direkt im keramischen Material bilden. YAG-Keramik ist ein Yttrium-Aluminium-Granat und LuAG-Keramik ist ein Lutetium-Aluminium-Granat. Besonders vorteilhaft ist die Dotierung mit einer Cerverbindung, beispielsweise Ce₂O₃.
Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Optokeramik als Konvertermaterial können hohe Leuchtdichten, bevorzugt von über 100 cd/mm², besonders bevorzugt von über 500 cd/mm² erreicht werden.
Für die Erzeugung hoher Leuchtdichten ist eine möglichst vollständige Auskopplung des konvertierten Lichtes bei gleichzeitig räumlich kleinem Emissionsfleck vorteilhaft. Dies kann durch ein stark streuendes Konvertermaterial erreicht werden. Die erfindungsgemäße Kornstruktur führt zu guter Streuung sowohl des kurzwelligen Anregungslichtes als auch des langwelligen Emissionslichtes. Eine starke Streuung des im Konverter erzeugten Emissionslichts ist insbesondere für die Erreichung eines guten Lichtkonfinements, d.h. für einen kleinen Emissionsfleck, vorteilhaft.
Wird jedoch das Anregungslicht vom Konverter remittiert, so sinkt der Anteil des Anregungslichts, das in den Konverter eindringt und dort zur Konversion beitragen kann. Daher darf die Streuung - bei gegebener Absorptionslänge - wiederum nicht so stark sein, dass die Remission des Anregungslichtes ein gewünschtes Niveau übersteigt. Die Konversionseffizienz wird dabei sowohl von der Absorption des Anregungslichtes, d.h. der Quanteneffizienz, als auchvon der Remission des Anregungslichtes beeinflusst.
Erwartungsgemäß würde die Konversionseffizienz jedoch bei stark streuenden Proben, d.h. bei Proben mit einer hohen Remission R_Emission sinken. Diese Abhängigkeit ist bei Konvertermaterialien, bei denen Leuchtstoffpartikel in einer optisch inaktiven Matrix vorliegen, bekannt. Bei Konvertermaterialien, wie beispielsweise Leuchtstoffpartikeln in einer Silikonmatrix, führt eine hohe Leuchtstoffpartikeldichte in der Silikonmatrix zu einer hohen Remission. Jedoch bedingt eine hohe Leuchtstoffdichte eine Vergrößerung der Remission des Anregungslichtes. Um die gewünschte Absorption des Anregungslichtes beizubehalten, muss der Leuchtstoff stärker dotiert werden. Dies hat ein sogenanntes Konzentrationsquenching zur Folge, d.h. die Quantenausbeute und damit die Konversionseffizienz werden reduziert. Bisher war es deshalb nicht möglich, gleichzeitig eine hohe Konversionseffizienz und eine hohe Remission R_Emission zu erreichen. Überraschenderweise weist die erfindungsgemäße Optokeramik eine hohe Streuung bzw. Remission R_Emission auf, bei der die Konversionseffizienz noch nicht ungünstig beeinflusst ist.
Insbesondere beträgt die Remission R_Emission bevorzugt mindestens 60%, besonders bevorzugt mindestens 80%. Dies ist vorteilhaft, da eine starke Streuung für ein ausreichendes Lichtkonfinement und somit für eine hohe Strahldichte benötigt wird.
Des Weiteren weist das Konvertermaterial bevorzugt eine Quanteneffizienz QE der Absorption des Anregungslichtes größer als 80% und besonders bevorzugt größer als 90% auf. Dies ist besonders vorteilhaft, da durch eine hohe Quantenausbeute ein geringerer Anteil der eingestrahlten Energie in Form von Wärme abgegeben wird. Somit wird durch die gute Quanteneffizienz des erfindungsgemäßen Konvertermaterials zum einen die Erwärmung minimiert.
Zum anderen können Lichtquellen mit geringerer Lichtintensität eingesetzt werden, was in Hinblick auf den Energieverbrauch vorteilhaft ist.
Da zur Erzielung hoher Leuchtdichten sowohl eine hohe Absorption des Anregungslichtes als auch eine hohe Remission des konvertierten emittierten Lichts benötigt werden, ist das Produkt aus Remission R_Emission und Quanteneffizienz jedenfalls größer als 0.6 und bevorzugt größer als 0.7.
Nach dem Stand der Technik würde man für ein keramisches Material mit besonders guter Quanteneffizienz eine geringe Streuung (und damit eine geringe Remission R_Emission) erwarten.
Das erfindungsgemäße Konvertermaterial weist dagegen in höchst überraschender Weise eine hohe Streuung (und damit eine hohe Remission R_Emission) auf, ohne dass die Quanteneffizienz schon ungünstig beeinflusst ist.
Der erfindungsgemäße Konverter weist somit eine Konvertergütezahl oder optische figure of merit FOM_opt, definiert als ${FOM}_{opt} = QE * R_{emission,}$
größer als 0.6, bevorzugt größer als 0.7 und besonders bevorzugt größer als 0.8 auf. Dabei soll die Quanteneffizienz größer als 0.8 sein. Die nach dem Stand der Technik zu erwartenden FOM_opt sind dagegen deutlich kleiner.
Diese außergewöhnliche und höchst vorteilhafte FOM_opt ist ein intrinsisches Merkmal des erfindungsgemäßen Konvertermaterials.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird angestrebt, möglichst alles Anregungslicht zu konvertieren. Dann ist das Produkt QE* (1-R_excitation) *R_emission als Kennziffer für die Konversionseffizienz zu wählen. Diese Kennziffer ist in der vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung daher größer als 0.4, bevorzugt größer als 0.6 und besonders bevorzugt größer als 0.75. Die hohen Kennziffern in dieser Weiterbildung der Erfindung werden dadurch ermöglicht, dass die Absorption des Anregungslichtes durch das Konvertermaterial überraschenderweise weitgehend unabhängig von den Streueigenschaften eingestellt werden kann. So kann die Absorptionslänge der erfindungsgemäßen Konverters so gewählt werden, dass sie kleiner ist als die typischen Streulängen.
So ist es durch Verwendung einer erfindungsgemäßen Optokeramik als Konvertermaterial möglich, durch geeignete Prozessführung das Streuvermögen des Materials unabhängig von der Aktivatorkonzentration zwischen hoch-transparent und hoch-opak einzustellen.
Zudem können die optischen Eigenschaften auch über die Ausgangszusammensetzung und/oder über den Dotierungsgrad gezielt beeinflusst werden. Zusammen mit den hervorragenden thermischen und thermo-optischen Eigenschaften der Optokeramik sind somit Konverter mit maßgeschneiderten Eigenschaften zugänglich, welche hohe Leuchtdichten ermöglichen.
Die erfindungsgemäßen Konverter weisen im statischen Betrieb bei Lichtströmen größer als 1000 Im hohe Leuchtdichten von mindestens 100 cd/mm², bevorzugt von mindestens 500 cd/mm² auf.
Die thermo-optischen Eigenschaften des Konvertermaterials können in einer thermischen Gütezahl, figure of merit, FOM, $\begin{array}{l} {FOM}_{therm} = W \ddot{a} rmeleitungskennzahl * (W \ddot{a} rmekapazit \ddot{a} t/Volumen) \\ * min (T_{fail}, T^{0,8}_{quench}) \end{array}$
zusammengefasst werden. Die thermische FOM berücksichtigt die Wärmeleitfähigkeit und die maximal zulässige Temperaturbelastung des Konvertermaterials.
Die Zerstörtemperatur T_fail ist die Temperatur, bei der das Konvertermaterial zerstört wird.
Bei Erhöhung der Temperatur kommt es durch Thermoquenching zu einer Abnahme der Quanteneffizienz. Die Grenztemperatur T^0,8 _quench ist als die Temperatur definiert, bei welcher die Quanteneffizienz auf 80% ihres Wertes bei Raumtemperatur beträgt.
Konverter, deren Konvertermaterialien hohe thermische FOM aufweisen, können somit bei höheren Temperaturen betrieben werden.
Da die maximal erreichbare Pumpleistung des Konverters durch die maximale Konvertertemperatur begrenzt wird, können über die thermische FOM Rückschlüsse auf die maximale Pumpleistung geschlossen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist das Konvertermaterial eine thermische FOM größer als 500 (W/mK)*(J/cm³K) *K, bevorzugt größer als 800 (W/mK) * (J/cm³K)*K auf.
Die außergewöhnlich hohen thermischen FOM werden durch die opto-thermischen Eigenschaften der als Konvertermaterial verwendeten Optokeramiken ermöglicht.
So hat sich herausgestellt, dass Optokeramiken hohe Wärmeleitfähigkeiten, eine hohe thermische Zerstörschwelle und eine hohe Grenztemperatur aufweisen. Optokeramiken zeigen höchst vorteilhafte Wärmeleitfähigkeiten, insbesondere ist die Wärmeleitfähigkeit größer als 5 W/m*K, bevorzugt größer als 8 W/m*K, und besonders bevorzugt größer als 10 W/m*K.
Die Grenztemperatur der entsprechenden Optokeramiken liegt oberhalb von 200 °C, insbesondere oberhalb von 250 °C. Gebräuchliche Konvertermaterialien wie Leuchtstoffe in Silikon weisen dagegen Grenztemperaturen von ca. 100-120 °C auf.
Bei den keramischen Konvertern dominiert die Wärmeleitfähigkeit seiner Kristallite die Wärmeleitfähigkeit des gesamten Konverters. Korngrenzen und oder Poren beeinflussen somit zwar die Streuung, nicht aber die Wärmeleitfähigkeit des Konverters.
So können gemäß der Ausgestaltung der Erfindung Konvertermaterialen mit Wärmeleitfähigkeiten von mindestens 5 W/mK, insbesondere von mindestens 8 W/mK und ganz besonders von mindestens 10 W/m*K erhalten werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Konvertermaterial selbsttragend ausgestaltet. Als ein selbstragendes Konvertermaterial im Sinne der Erfindung wird dabei ein Material verstanden, dessen Festigkeit ausreichend ist, um auf ein Substrat als Trägermaterial verzichten zu können.
Dies ist insbesondere vorteilhaft, da somit beide Außenseiten des Konverters beschichtet werden können. Auf Grund der außerordentlich hohen thermischen Stabilität ist dies sogar bei höheren Temperaturen möglich.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Konvertermaterial bei Einsatz in Transmission auf der Anregungsseite mit einem dichroitischen Filter, der als Kantenfilter arbeitet, beschichtet. Dieser ist für den Spektralbereich des konvertierten Lichts hoch-spiegelnd, wohin gehend er für das Anregungslicht eine möglichst geringe Reflexion aufweist.
Einsatz in Transmission bedeutet hier, dass das Anregungslicht auf einer Seite in die Probe eingestrahlt wird und das konvertierte Licht auf der gegenüberliegenden Seite genutzt wird (Austrittsseite). Bei dem Kantenfilter kann es sich um einen AR-Filter (Anti-Reflexions-Filter) handeln, der für das Anregungslicht eine AR-Wirkung aufweist, aber für das konvertierte Licht als Spiegel wirkt. Somit kann das Auftreten von Fresnel-Reflexionsverlusten und der rückseitige Verlust von konvertiertem Licht verringert werden. Auf der Austrittsseite kann ein weiterer, breitbandiger AR-Filter aufgebracht werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Konvertermaterial für die Verwendung in Remission auf der Emissionsseite ein AR-Element auf. Hierbei werden insbesondere breitbandige AR-Coatings oder AR-Strukturen wie beispielsweise Mottenaugenstrukturen verwendet, die sowohl für das Anregungslicht als auch für das konvertierte Licht eine AR-Wirkung aufweisen.
Zur Maximierung der Leuchtdichte weist das Konvertermaterial dieser Ausführungsform bevorzugt eine Dicke von 0.1 bis 1 mm , besonders bevorzugt von 0,2 bis 0,8 mm und ganz besonders bevorzugt von 0,3 bis 0,6 mm auf. Die Leuchtdichte ist proportional zur Absorption des Anregungslichtes und antiproportional zur Emissionsfleckgröße. Dünne Konverter minimieren die Aufweitung des Emissionsflecks.
Der Konverter wird dünn genug gewählt, um eine Aufweitung des Streuflecks zu minimieren. Die Dicke des Konverters ist dabei ausreichend, um eine effektive Absorption des Anregungslichtes zu gewährleisten.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht eine statische Nutzung des Konverters vor. Dies ist insbesondere vorteilhaft, da bei einer statischen Nutzung des Konverters der Einsatz von großen Konverterrädern nicht notwendig ist. Bei einem kleinen Konverterring ist zum einen der Materialeinsatz gering, zum anderen wird eine kompaktere Bauweise des Konverters ermöglicht. Ebenfalls ist der Nachverarbeitungsaufwand bei der statischen Nutzung des Konverters geringer, insbesondere wenn der Konverter aus einem Festkörper gefertigt wird.
Vorzugsweise weist der Konverter im statischen Betrieb eine Leuchtdichte von >> 100 cd/mm² auf. Ein statischer Betrieb stellt hohe Anforderungen an das Konvertermaterial, da die lokalen Einwirkzeiten des Anregungslichtes auf das Material wesentlich höher sind als dies bei einem rotierenden Konverterrad der Fall ist. Insbesondere müssen die eingesetzten Konvertermaterialien hohe Wärmeleitfähigkeiten aufweisen, um die Wärme effektiv abzuleiten. Materialien mit schlechten Wärmeleitfähigkeiten können dagegen bereits nach kurzen Einwirkzeiten thermisch zerstört werden und sind für die Verwendung in statischen Konvertern nicht geeignet. Dies trifft beispielsweise auf Konvertermaterialen zu, bei denen die optisch aktiven Komponenten in einer passiven Matrix aus Glas oder Silikon eingebettet sind.
Diese Problematik wird durch den Einsatz der erfindungsgemäßen Optokeramik als Konvertermaterial gelöst. So weist das erfindungsgemäße Konvertermaterial hohe Wärmeleitfähigkeiten und eine hohe thermische Zerstörschwelle auf. Zudem ist die Optokeramik bevorzugt so auf dem Substrat montiert, dass sie optimal an eine Wärmesenke gekoppelt ist. Die Optokeramik kann direkt auf die Wärmesenke gebondet werden. Dieses Design ist bei Konvertern, die in Remission betrieben werden, vorteilhaft.
Ein weiteres Design sieht eine seitliche Anbindung der Wärmesenken an die Optokeramik vor. Dabei ist der Konverter lateral so dimensioniert und gefasst, dass er optimal an eine Wärmesenke angekoppelt ist, ohne den Lichtweg des Konverters zu behindern. Dieses Design ermöglicht auch den Einsatz einer Wärmesenke bei in Transmission betriebenen Konvertern. Insbesondere bei geringer thermischer Belastung kann auch die Verwendung einer freitragenden Konverterscheibe vorteilhaft sein.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Anregung des Konvertermaterials in Transmission. Es handelt sich demnach um einen rückseitig angeregten Konverter. In Transmission betriebene Konverter ermöglichen ein einfacheres optisches Design als in Remission betriebene Konverter, da Eingangs-Strahlengang und Ausgangs-Strahlengang des konvertierten Lichtes nicht miteinander verschachtelt und/oder teilweise identisch sind. Die Intensität des Anregungsstrahls wird jedoch durch die Transmission durch das Konvertermaterial abgeschwächt. Die verwendete Lichtquelle muss somit einen ausreichenden Lichtstrom zur Verfügung stellen. Die daraus resultierenden hohen Leistungen erfordern Konvertermaterialien mit hohen maximalen Zerstörtemperaturen. Auf Grund ihrer vorteilhaften thermischen Eigenschaften ist die erfindungsgemäße Optokeramik auch für die Verwendung in Konvertern geeignet, die in Transmission arbeiten.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Konvertermaterial auf einem beweglichen Träger appliziert.
In neuartigen Projektoren werden Farbräder mit Konversionsmaterialien verwendet. Diese Farbräder können dabei mit Segmenten von Materialien mit unterschiedlichen Emissionswellenlängen belegt oder für die Emission von Licht einer Wellenlänge ausgelegt sein. Bevorzugt besteht das Farbrad aus einem hoch reflektierenden Metall. Hierdurch wird die Remission des restlichen Anregungslichtes sowie des emittierten Lichtes unterstützt.
Die Kühlwirkung des rotierenden Farbrades ist jedoch begrenzt, da die Konstruktion des Farbrades insbesondere die Remission und das Farbmultiplexing sicherstellen sollen. Zur Kühlung des Farbrades werden daher typischerweise zusätzliche Lüfter verwendet, welche eine kühlende Luftströmung erzeugen.
Bevorzugt ist der bewegliche Träger der Ausführungsform mit Lamellen- und/oder Ventilationselementen versehen. Dadurch kann die Kühlung des Rades verbessert werden. Zusätzlich sorgt das Rad selbstständig für einen Luftstrom. Dieser kann unabhängig von der Kühlung anderer Komponenten geführt werden. Insbesondere ist das Rad in den Bereichen, die nicht mit der Optokeramik belegt sind, mit den o.g. Elementen versehen. So können beispielsweise die Lamellen im Zentrum des Rades und/oder die Ventilatorsegmente am Rand des Farbrades platziert werden. Beide Elemente können auch in Kombination verwendet werden. Die Lamellen können insbesondere als radiale oder radiale, verdrehte Lamellen ausgestaltet sein. Ebenfalls können Lüfterschaufeln oder handelsübliche Lüfter mit applizierten optokeramischen Reflektoren verwendet werden. Die Verwendung eines selbstventilierenden Trägerrades ist besonders vorteilhaft, wenn das Konvertermaterial nicht als Kreisring sondern als Kreisscheibe ausgestaltet ist. Kreisscheiben können insbesondere dann eingesetzt werden, wenn das Konversionselement keinen Farbwechsel gewähren muss. Mögliche Verwendungen sind beispielsweise LCD-Projektoren, LCOS-Projektoren oder 3-Chip DLP Projektoren der Fall. Auch ist eine Verwendung in Hybrid-Varianten möglich. In Hybridgeräten wird die Lichterzeugung über die Fluoreszenzkonversion mit direkt emittierenden Halbleiterquellen kombiniert.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung des selbstventilierenden Rades bei Anwendungen, die keine Synchronisierung von Farbrad und Bildgebung benötigen. In diesem Fall kann ein unsynchronisierter Lüftermotor verwendet werden. Jedoch kann der Aufbau des selbstventilierenden Rades auch bei segmentierten, synchronisierten Farbrädern eingesetzt werden.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung
wird die Remission des Anregungslichtes durch den Dotierungsgrad der Optokeramik so eingestellt, dass das Anregungslicht im remittierten Lichtspektrum vorhanden ist.
Durch Mischung der Remission des Anregungslichtes und Sekundär-Emission kann somit jeweils ein bestimmter Farbeindruck des emittierten Lichtes erzeugt werden. Insbesondere kann somit auch weißes Licht erzeugt werden. Ein hoher Dotierungsgrad, d.h. eine hohe Dichte an Konversionszentren in der Optokeramik, führt zu einer Verkürzung der Absorptionslänge im Vergleich zur Streulänge. Ein hoher Dotierungsgrad führt zu einer Verkürzung der Absorptionslänge. Dies kann beispielsweise über den Cer-Gehalt eingestellt und in eine bestimmte Relation zur Streulänge eingestallt werden. Ist die Absorptionslänge deutlich geringer als die Streulänge, so wird hauptsächlich das konvertierte Licht emittiert. Ist die Absorptionslänge jedoch größer als die Streulänge, so wird hauptsächlich Anregungslicht remittiert. Ist das Anregungslicht beispielsweise blau und das Sekundärlicht gelb, so kann ein Regime eingestellt werden, in dem das emittierte konvertierte Licht und das remittierte Anregungslicht durch Mischung einen weißen Farbeindruck ergeben.
Der erfindungsgemäße Konverter kann in Projektoren, beispielsweise in Projektoren mit einer DLP, 3-Chip DLP oder LCD Technik verwendet werden. Eine weitere Verwendungsmöglichkeit besteht in der Verwendung in Lampen mit hoher Leuchtdichte, beispielsweise in Bühnenscheinwerfern oder Autoscheinwerfern. Auch die Verwendung in Lampen mit hoher Leuchtdichte und hoher Spektraldichte, wie sie beispielsweise in der Spektroskopie verwendet werden, ist möglich.
Figurenliste
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigeschlossenen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 den schematischen Aufbau eines Konverters in Remission als ein erstes Ausführungsbeispiel.
2 den schematischen Aufbau einer Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispiels mit einem dichroitischen Filter
3 schematisch die Verwendung der Optokeramik in einem Konverter in Transmission als ein drittes Ausführungsbeispiel.
4 schematisch einen Konverter in Transmission mit verbesserter Fassung als ein viertes Ausführungsbeispiel.
5 den schematischen Aufbau eines dynamischen, d.h. rotierenden Konverters in Remission, bei dem die Optokeramik als Ring ausgebildet ist.
6 den schematischen Aufbau eines dynamischen, d.h. rotierenden Konverters in Remission, bei dem die Optokeramik 1 als Ring ausgebildet ist.
7 den schematischen Aufbau eines dynamischen Konverters, der ,in Transmission arbeitet.
8: ein Diagramm zur Abhängigkeit von Quanteneffizienz und Remission.
9: ein Überlagerungsdiagramm zur Abhängigkeit von Remission und Quanteneffizient von der Sintertemperatur einer Optokeramik der Zusammensetzung Lu₃(Ga,Al)₅O₁₂-Ce
10: ein Überlagerungsdiagramm zur Abhängigkeit von Remission und Quanteneffizient von der Sintertemperatur einer Optokeramik der Zusammensetzung Y₃Al₅O₁₂-Ce
11: Diagramm zur Abhängigkeit der Remission vom Cer-Gehalt
12: ein Konverter mit Einstellung eines definierten Anteils von Anregungslicht zur Erzeugung eines Weißfeld-nahen Punktes im Farbort-Diagramm.

Die Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend an Hand der Figuren beschrieben.
1 zeigt die Seitenansicht eines schematischen Aufbaus eines in Remission betriebenen Konverters als ein erstes Ausführungsbeispiel.
Die erfindungsgemäße Optokeramik 1 ist mittels einer Klebeschicht 2 auf einem Spiegel 3 fixiert. Die Klebeschicht 2 weist dabei eine Dicke d_Kleb von 10 µmauf. Der Spiegel 3 reflektiert das Anregungslicht 4 in die Optokeramik 1 und erhöht somit die Lichtausbeute in Form von konvertiertem, langwelligem Licht 5.
Die Konverterfläche A beträgt 4 mm², die Dicke des Konverters d_konv beträgt 200 µm. Die maximale Pumpleistung kann abgeschätzt werden: $P^{max}_{opt} ~ 4 (T^{max}_{Konv} - T_{RT}) {/R}_{th}$
wobei für $T^{max}_{Konv} = T_{RT} + Q/A * d/ λ$
und den thermischen Widerstand R^th = d/(Aλ) gilt. Es gelten für die Wärmeleitfähigkeiten λ des ersten Ausführungsbeispiels
Wärmeleitfähigkeit Optokeramik λ_oc = 10 W/mK
Wärmeleitfähigkeit Kleber λ_Kleb = 0, 3 W/mK
Der thermische Widerstand des Konverters ergibt sich aus den absoluten thermischen Widerständen Rth des Konvertermaterials und des verwendeten Klebers.
Mit den thermischen Widerständen der Optokeramik 1 R^th _oc = 5 K/W und der Klebeschicht 2 R^th _Kleb = 8, 3 K/W ergibt sich somit für den Konverter ein thermischer Widerstand R^th _Konv von 13,3 K/W. Die Klebeschicht 2 weist dabei einen höheren thermischen Widerstand auf als die Optokeramik 1 und bestimmt somit maßgeblich den thermischen Widerstand, d.h. in diesem Fall dessen Untergrenze.
Bei einer Zerstörschwelle der Optokeramik 1 T^max _oc = 250°C ergeben sich somit maximale Pumpleistungen P^max _opt von 68 W. Begrenzend wirkt lediglich die Klebeschicht.
Bei einer Zerstörschwelle des Klebers von 100°C ergeben sich dennoch maximale optische Pumpleistungen von P^max _opt = 36 W.
Diese überraschend hohe Pumpleistung ermöglicht z.B. bei einer Bestrahlung mit 10W auf 4mm² Leuchtdichten von 200cd/mm² und ein Lichtstrom von 600 1m.
Im Vergleich dazu sind bei den im Stand der Technik bekannten Konvertern auf Basis eines Leuchtstoffs in Silikon, phosphor in silicon (PIS), maximale optische Pumpleistungen P^max _opt von ca. 3 W realisierbar. Dies liegt insbesondere am hohen thermischen Widerstand R^th _PIS von ca. 100 K/W wie auch der niedrigen Zerstörschwelle des Konvertermaterials.
2 zeigt den schematischen Aufbau des zweiten Ausführungsbeispiels. Es handelt sich dabei um eine Variante des ersten Ausführungsbeispiels, bei dem zusätzlich auf der Optokeramik 1 eine Antireflexions-Beschichtung 6 aufgebracht wurde. Dadurch wird die Streuung des Anregungsstrahl 4 durch die Oberfläche der Optokeramik 1 reduziert. Dies verringert die Größe des Emissionsflecks.
3 zeigt den Aufbau des dritten Ausführungsbeispiels, einen Konverter mit rückseitiger Anregung, also mit transmissiver Anregung. Der Anregungsstrahl 4 trifft auf der Anregungsseite 11 auf die Optokeramik 1. Auf der Emissionsseite 12 tritt das Sekundärlicht 5 aus. Die Dicke der Optokeramik 1 beträgt 200 Mikrometer. Hierdurch wird eine ausreichend hohe Transmission bei einer guten Quanteneffizienz gewährleistet. Die Optokeramik 1 wird dabei nur seitlich, d.h. links und rechts des Lichtspots des Anregungslichtes, von der metallischen Fassung 70 fixiert. Der überwiegende Teil Optokeramik 1 schwebt somit zwischen den Fassungen frei. Dieses Design wird erst dadurch ermöglicht, dass die Optokeramik 1 selbsttragend ist. Im Unterschied dazu benötigen aus dem Stand der Technik bekannte Systeme wie PIS Substrate als Trägermaterialien, so dass eine rückseitige Anregung nicht möglich ist. Die Fassung 70 ist als Wärmesenke ausgebildet und weist einen Durchmesser von 2 mm auf. Zur Verringerung der Größe des Emissionsflecks ist die Optokeramik 1 auf der Anregungsseite 11 mit einem Kantenfilter 91 beschichtet. Die Emissionsseite 12 ist wiederum mit einer breitbandigen AR-Beschichtung beschichtet.
Der in 4 schematisch dargestellte Aufbau stellt eine Weiterbildung des dritten Ausführungsbeispiels dar. Hier ist die Optokeramik 1 so eingefasst, dass die Fassung 71 abgesehen von der Fläche, auf die der Lichtspot des Anregungslichts 4 fällt, einen großen Teil der Unterseite der Optokeramik 1 bedeckt. Die Fassung 71 ist metallisch und reflektiert das Anregungslicht 4 in der Optokeramik 1. Hierdurch wird das Sekundärlicht in der Optokeramik reflektiert und das Lichtkonfinement erhöht. So kann hier auf eine zusätzliche Beschichtung der Optokeramik 1 auf der Anregungsseite 11 verzichtet werden.
Bei Annahme der gleichen Materialdaten wie beim ersten Ausführungsbeispiel ergibt sich ein effektiver thermischer Widerstand R^th _eff von 55 K/W. Dies macht optische Pumpleistungen P^max _opt von bis zu 16 W möglich.
Die Abweichung von den optischen Pumpleistungen des ersten Ausführungsbeispiels ist dabei durch den Aufbau bedingt.
Je nach Betriebskonfiguration hängt hier die Performance beispielsweise noch von Geometriefaktoren ab. Dies führt dazu, dass die maximale Pumpleistung in Transmission geringer ist als in Remission.
Die nachfolgende Tabelle zeigt eine Übersicht über die für die thermische FOM eines statischen Konverters relevanten Daten des erfindungsgemäßen Konvertermaterials, sowie im Vergleich von Konvertermaterialien, die auf Silikon bzw. Glas/Glaskeramik beruhen.
Als thermische FOM für einen statisch betriebenen Konverter wurde das Produkt aus maximal zulässiger Temperatur und Wärmeleitfähigkeit gewählt.
Erfindungsgemäße Konverter zeigen eine FOM_stat von bis zu 7322 W/m, analog aufgebaute Konverter mit Leuchtstoff in Silikon weisen dagegen lediglich eine FOM von 95 W/m auf.
In der letzten Spalte wurde die FOM durch die Wärmespeicherzahl ergänzt. Die Wärmespeicherzahl ist das Produkt von Wärmekapazität und Dichte. Die so erweiterte FOM, FOM_dyn beschreibt das Verhalten eines Konverters auf einem rotierenden Rad und damit für einen dynamischen Konverter.
Die erfindungsgemäßen Optokeramiken OC1 und OC2 zeigen außerordentlich hohe FOMs.
Die beiden Optokeramiken OC1 und OC2 unterscheiden sich in ihrer Dotierung. Optokeramik OC1 enthält YAG (Yttrium-Aluminium-Granat), Optokeramik OC2 Mg₃Al₈ [SiO] ₃.
Die Unterschiede in den FOM der beiden Optokeramiken sind jedoch insbesondere auf die verschiedenen Dichten zurück zu führen.
Die in der Tabelle aufgeführten Materialien lassen sich bezüglich der FOM in drei Gruppen einteilen. Die niedrigen FOMs von auf Silikonmatrizen basierten Konvertern lassen sich insbesondere auf die geringe Wärmeleitfähigkeit zurückführen.
Auf Glas oder Glaskeramik basierende Materialien zeigen FOMs, welche deutlich über denen von Silikonmatrizen, also von organischen Systemen liegen. Jedoch sind die FOM der erfindungsgemäßen Optokeramiken mehr als 5 mal so hoch wie die von auf Glaskeramik basierenden Konvertern.

Insbesondere zeigen die Optokeramiken in vorteilhafter Weise herausragend hohe Wärmeleitfähigkeiten λ. Tabelle 1: Übersicht der FOM relevanten Daten

Material	Cp [J/K*g]	Cp*p[J/cm³K]	λ [W/mK]	TQE/8 0 [°C]	T_abs [°C]	Min (TQE80/T_abs)	FOM_stat [W/m]	FOM_dyn [J²/cm⁴ Sk]
OC 1	0,6	2,76	14	250	1700	523	7322	202
OC 2	0,6	2,28	10	250	1700	523	5230	119
Silikon	1,4	1,7	0,2	250	200	473	95	1,6
Glas	1	2,5	0,9	300	500	573	443	11,1
Glaskeramik	1	2,5	1,5	250	900	523	859	22

Das in 5 gezeigte fünfte Ausführungsbeispiel zeigt den schematischen Querschnitt eines dynamischen Konverters, der in Remission betrieben wird. Die Optokeramik 1 ist als kreisförmige Scheibe ausgebildet mittels der Klebschicht 2 auf dem Träger 3 aufgebracht. Die Oberfläche der Optokeramik 1 ist mit einem Kantenfilter 9 beschichtet. Der Träger 3 ist mittig mit einer Nabe 8 verbunden. Die Anregung erfolgt lokal begrenzt an einer Stelle des Konverters. Mit Hilfe der Nabe 8 wird der Träger 3 mit der Optokeramik 1 gedreht. Somit wird ein lokaler bestimmter lokaler Bereich der Optokeramik 1 nur für eine kurze Dauer mit dem Anregungslicht 4 bestrahlt. Die lokale Bestrahlungszeit kann über die Drehfrequenz der Nabe 8 geregelt werden. Durch die kurze lokale Bestrahlungsdauer können hohe Anregungsleistungen von weit über 25 W verwendet werden.
Bei dem in 6 schematisch abgebildeten Ausführungsbeispiel ist die Optokeramik 1 als Ring ausgebildet und mit Hilfe der Klebschicht 2 auf dem kreisförmigen Träger 3 appliziert. Den Einsatz einer ringförmigen Optokeramik 1 ermöglicht einen geringeren Materialaufwand, ohne jedoch die optischen Eigenschaften des Konverters zu beeinflussen. Dies ist möglich, da in dieser Ausführungsform lediglich die Bereiche ausgespart werden, die ohnehin nicht vom Anregungsstrahl 4 erfasst werden.
7 zeigt die schematische Darstellung eines dynamischen, d.h. rotierenden Konvertersin Transmission. In diesem Ausführungsbeispiel ist der kreisförmige Träger 13 als reflektierende Fassung ausgebildet, welche die ringförmige Optokeramik 1 fixiert. Der Träger 3 bedeckt dabei nur so viel der Unterseite der Optokeramik 1, wie zu deren Fixierung notwendig ist. Der überwiegende Teil der Unterseite der Optokeramik wird nicht vom Träger 3 abgedeckt und kann damit für die Konversion genutzt werden. Die Optokeramik 1 ist auch hier auf der Anregungsseite, d.h. ihrer Unterseite, mit einer AR-Beschichtung 10 und auf ihrer Oberseite mit einem Kantenfilter 91 versehen.
8 zeigt den Zusammenhang von Quanteneffizienz und Remission. Der Zusammenhang zwischen Streuung und Remission kann aber vorteilhaft zur Quantifizierung der Streueigenschaften eines Konverters genutzt werden. Hierzu wird die Remission bei einer Wellenlänge oberhalb der Anregungswellenlänge gemessen. In diesem Fall wurde die Remission einer Probe des Konvertermaterials mit einer Dicke von 1 mm bei einer Wellenlänge von 600 nm gemessen. Als Spektrometer wurde ein Spektrometer mit Integrationskugel gemessen. Im Folgenden steht die nach dieser Messvorschrift gemessene Remission R_Emission stellvertretend für eine optische Messung der Streueigenschaften. Dabei wurde die Remission anhand einer Probe mit der Dicke von 1 mm bei einer Wellenlänge von 600 nm bestimmt. Ein stark streuendes Material weist dabei eine hohe Remission auf.
Erwartungsgemäß würde die Quanteneffizienz bei stark streuenden Proben sinken. Das erwartete Verhalten ist im Diagramm durch eine Gerade gekennzeichnet.
In höchst überraschender Weise konnte jedoch ein Regime 14 ermittelt werden, dessen Proben eine hohe Remission zeigen, ohne jedoch dabei die Quanteneffizienz signifikant zu beeinflussen.
Somit sind Optokeramiken geschaffen worden, die eine Remission bei 600 nm von 0,7 bis 0,95 aufweisen und deren Quanteneffizienz über 0,85 liegt.
Diese außergewöhnliche Eigenschaft der erfindungsgemäßen Optokeramiken ist dabei das Resultat einer speziellen Zusammensetzung der Ausgangsmischung als auch der Herstellungsbedingungen. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die Streuung der Optokeramik über die Wahl der Sintertemperatur eingestellt werden kann. Dies wird im Folgenden an Hand der in 9 und 10 gezeigten Beispiele erläutert. 9 und 10 zeigen die Abhängigkeit der Remission, der Quanteneffizienz sowie des Produktes von Remission und Quanteneffizienz zweier Cerdotierten Optokeramiken unterschiedlicher Zusammensetzung.
9 zeigt dabei ein Überlagerungsdiagramm einer Optokeramik mit der Zusammensetzung LU₃(Ga,Al)₅O₁₂-Ce, die Optokeramik in 10 hat die Zusammensetzung Y₃Al₅O₁₂-Ce.
In beiden Fällen ist die Remission von der Sintertemperatur abhängig, während dies im Fall der Quanteneffizienz nur schwach ausgeprägt ist. Dies wird besonders in 9 deutlich.
So führt eine Erhöhung der Sintertemperatur um 100 °C zu einer Halbierung der Remission, während die Quanteneffizienz annähernd konstant bleibt.
Wie in 10 gezeigt, ist dieser Effekt bei der zweiten Optokeramik weit weniger stark ausgeprägt.
Die Ausprägung des Effektes kann insbesondere von der Zusammensetzung des Ausgangsmaterials abhängig sein.
So ist der Zusammenhang der beiden Größen abhängig von der Dichte der Konversionszentren, d.h. vom Dotierungsgrad.
11 zeigt die Abhängigkeit zwischen der Absorptionseffizienz und Remission bzw. Streuung von erfindungsgemäßen Optokeramiken mit unterschiedlichen Dotierungsgraden an Ce₂O₃.
Die Absorptionseffizienz beschreibt den Anteil des absorbierten Anregungslichts zum eingestrahlten Anregungslicht. Sie wird gemäß 1-R_Excitation aus der Remission des blauen Anregungslichts berechnet. Die Remission des blauen Anregungslichts wurde an 1mm dicken Proben in einem Quanteneffizienzmessplatz gemessen.
Optokeramiken mit hohen Dotierungsgraden (0,2 wt% Ce₂O₃) zeigen eine starke Abhängigkeit von ABsorptionseffizienz und Remission. Insbesondere bei hohen Remissionswerten ab 0,8 nimmt die Absorptionseffizienz rapide ab.
Es ist gezeigt, dass die Absoptionseffizienz für blaues Licht bzw. die Blau-Remission R_Excitation durch Einstellung der Streuung bzw. Gelb-Remission R_Emission in weiten Grenzen eingestellt werden kann.
Durch die Einstellung der Streuung weitgehend unabhängig von der Quanteneffizienz kann zum einen ein gutes LichtKonfinement und somit hohe Leuchtdichten erzielt werden.
Zum anderen ist es möglich, die Streuung so einzustellen, dass die Mischung zwischen remittierter Anregungsstrahlung R_Excitation und Sekundär-Emission zu einem bestimmten Farbeindruck führt, der im Farbortdiagramm auf der Konversionsgeraden liegt. Die Konversionsgerade ist die Verbindungslinie zwischen dem Farbort des Anregunslichts und dem Farbort des Emissionspektrums
Anhand der 12 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel beschrieben das die Einstellung eines Weißfeld-nahen Punktes im Farbspektrum-Diagramm ermöglicht. Für den Remissionsbetrieb sei der Konverter 1 mit einem Spiegel 31 versehen. Um auf der Konversionsgeraden im Farbspektrum-Diagramm in die Nähe des Weißfeldes zu gelangen, wird der Konverter 1 hinsichtlich seiner Streueigenschaften so ausgewählt, dass 20% des blauen Anregungslichtes remittiert und 80% absorbiert werden. Der absorbierte Anteil des Anregungslichtes wird zum großen Teil in gelbes Licht konvertiert und entweder direkt oder nach Reflexion am Spiegel 31 als Streukeule 51 emittiert.
Das blau remittierte Licht setzt sich aus einem Fresnel-Reflex 40 und einer Streukeule 41 zusammen. Diese Streukeule 41 weist eine Lambert'sche Abstrahlcharakteristik auf.
Eine Verschiebung des Weißfeld-nahen Punktes erfolgt nun über die Anpassung der Konverterdicke. Ist diese so gering, dass Anregungslicht am Spiegel 31 reflektiert wird und an der Oberfläche wieder austritt, so entsteht eine zweite Streukeule 42. Diese zweite Streukeule 42 hat - je nach Konverterdicke und Streuung - eine mehr oder weniger gerichtete Abstrahlcharakteristik. Durch die Überlagerung der Streukeulen 40, 41, 42 des Anregnungslichts und der Streukeule 51 des konvertierten Lichts entsteht eine Winkelabhängigkeit des Farbeindrucks.
Die Winkelabhängigkeit kann durch Aufrauhen der Konverteroberfläche reduziert werden.
Die Feinanpassung zum Erreichen des Weißfeld-nahen Punktes kann alternativ über den Auftrag einer dünnen Streuschicht auf der Anregungsseite des Konverters 1 erfolgen. Die Streuschicht kann zum Beispiel aus TiO₂ oder undotiertem, optokeramischem Material bestehen. In beiden Fällen wird der Blauanteil gegenüber dem Gelbanteil des emittierten Lichtes erhöht. Um in das Weißfeld des Farbort-Diagramms zu gelangen, kann man das Gelblicht an Grünanteilen durch Filterung abreichern. Dies kann man zum Beispiel durch einen dichroitischen Spiegel erreichen, der das blaue Licht reflektiert, jedoch das auftreffende grüne Licht passieren lässt, so dass dieses nicht auf der Nutzseite des Konverters austritt.
Die erfindungsgemäßen Konvertermaterialien zeigen maßgeschneiderte thermische, thermo-optische und optische Eigenschaften.
Deren synergetisches Zusammenwirken ermöglicht sehr hohe Leuchtdichten von mehr als 100 cd/mm².

Claims

Konverteranordnung zur Erzeugung von farbigem oder weißem Nutzlicht hoher Leuchtdichte für Projektoren, Bühnenscheinwerfer, Autoscheinwerfer oder Lampen mit hoher Leuchtdichte und hoher Spektraldichte, wobei eine möglichst vollständige Auskopplung des konvertierten Lichtes bei gleichzeitig räumlich kleinem Emissionsfleck erreicht werden soll, umfassend: - einen Konverterkörper (1) mit einer Anregungsseite und einer abgewandten Seite, enthaltend eine Optokeramik mit YAG-Keramik oder LuAG- Keramik mit eingelagerter Kornstruktur zu Zwecken starker Lichtstreuung, - eine Anregungslichtquelle mit einem Lichtbündelquerschnitt, der den zu erreichenden, räumlich kleinen Emissionsfleck bestimmt, wobei die Anregungslichtquelle zur Bestrahlung des Konverterkörpers (1) mit blauem Anregungslicht hoher Leistungsdichte angeordnet ist, das einen blauen Lichtstreufleck sowie sekundär den Emissionsfleck erzeugt, der größer als der Lichtbündelquerschnitt der Anregungslichtquelle ist, - wobei die Dicke des Konverterkörpers (1) zwischen Anregungsseite und der abgewandten Seite genügend dünn gewählt ist, um einerseits eine Ausweitung des Licht- Streuflecks zu minimieren und andererseits eine ausreichende Konversion des blauen Anregungslichtes im Hinblick auf Farbe des Nutzlichtes zu bewirken.
Konverteranordnung nach Anspruch 1, wobei die Lichtstreufähigkeit des Konvertermaterials so gewählt wird, dass bei einem 1mm dicken Konverterkörper langwelliges Licht von 600nm Wellenlänge mit einem Remissionsfaktor R_emission>0,6 remittiert wird.
Konverteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei Konvertermaterial mit einer Quanteneffizienz QE > 0,80 eingesetzt wird.
Konverteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Konvertermaterial mit einer optischen Konvertergütezahl QE·R_emission > 0,6 bei gleichzeitiger Quanteneffizienz größer als 0,80 eingesetzt wird.
Konverteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Konvertermaterial mit einer thermischen Gütezahl (FOM_therm,stat) > 1000 (W/m), eingesetzt wird, die sich aus dem Produkt aus maximal zulässiger Temperatur in Kelvin und der Wärmeleitfähigkeit des Konvertermaterials errechnet.
Konverteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die Wärmeleitfähigkeit des Konvertermaterials zumindest 5 W/m*K, bevorzugt zumindest 10 W/m*K und besonders bevorzugt zumindest 12 W/m*K beträgt.
Konverteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher im statischen Betrieb eine Leuchtdichte von >> 100 cd/mm² im Nutzlicht-Leuchtfleck herrscht.
Konverteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welcher der Konverterkörper (1) selbsttragend ist.
Konverteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher der Konverterkörper (1) auf der Anregungsseite mit einem dichroitischen Filter (6) beschichtet ist.
Konverteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welcher der Konverterkörper (1) auf der Emissionsseite mit einer breitbandigen Antireflex-Beschichtung und/oder einer Antireflex-Struktur versehen ist.
Konverteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welcher das Konvertermaterial eine Dotierung mit Cer im Bereich von 0,01 und 2% und besonders bevorzugt 0,1 und 0,5% aufweist.
Konverteranordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welcher infolge Licht-Streuung der Remissionsfaktor des blauen Anregungslichtes gerade so hoch ist, dass eine Remission auch des blauen Anregungslichtes stattfindet, so dass die Mischung des Anregungslichtes und des konvertierten Lichtes die Bildung eines weißen Farbeindruckes beim Betrachter hervorruft.
Konverteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Konverterkörper (1) mit solchen Streueigenschaften ausgebildet ist, um zwischen 10 % und 30 % des Anregungslichtes zu remittieren, und wobei eine Feinanpassung der Emission des Anregungslichtes im Hinblick auf Erreichen eines Weißlicht-nahen Bereichs durch Reduzierung der Dicke des Konverterkörpers (1) erfolgt.
Konverteranordnung nach Anspruch 13, wobei die Anregungsseite des Konverterkörpers (1) aufgerauht ist.
Konverteranordnung nach Anspruch 11, bei der die Anregungsseite (11) des Konverters die Rückseite und die Emissionsseite (12) die Vorderseite bilden und die Dicke des Konverterkörpers (1) so gewählt ist, dass ein Leuchtfleck hoher Leuchtdichte mit dem gewünschten Farbeindruck beim Betrachter entsteht.