-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung von Licht mit unterschiedlicher Abstrahlcharakteristik, umfassend zumindest eine Anregungslichtquelle, ein Strahlformungselement und einen Konverter. Dabei ist der Konverter im Strahlengang der Anregungslichtquelle angeordnet zur Konvertierung eines Teils des Anregungslichtes in langwelligeres Licht und zur Reflektierung eines anderen Teils des Anregungslichtes, wobei das insgesamt remittierte Licht im Fernbereich weiß erscheint.
-
Weißlichtquellen finden sich in zahlreichen Anwendungen, beispielsweise im Bereich der medizinischen Diagnostik oder der berührungslosen Meßverfahren. Weitere Anwendungen können in der Beleuchtung von Gebäuden liegen. Ein weiteres, wichtiges Anwendungsgebiet stellt der Automotivbereich dar, wobei derartige Beleuchtungseinrichtungen beispielsweise im Scheinwerfer bzw. als Scheinwerfer verwendet werden können.
-
Aktuelle Scheinwerfer im Automotivbereich umfassen häufig LED-Lichtquellen, wie beispielsweise in dem Dokument
DE 10 2008 031 256 A1 beschrieben, die eine weiße Beleuchtung ermöglichen. Als aufwendig gestaltet sich dabei typischerweise die Realisierung einer ausreichenden Kühlung bzw. einer guten Abfuhr der Wärme der Leuchtdiodeneinrichtung.
-
Eine andere Entwicklung zielt darauf, eine Lichtquelle über einen Lichtleiter mit einer Beleuchtungseinrichtung zu verbinden. Auf diese Weise können Lichtquelle und Beleuchtungseinrichtung räumlich voneinander entkoppelt werden. Zur Erzeugung von Weißlicht wird dabei häufig ein Konversionsmedium verwendet, welches im Bereich der Beleuchtungseinrichtung angeordnet ist. Das Konversionsmedium, auch Konverter genannt, ermöglicht dabei eine Konvertierung der eintretenden Strahlung in Bezug auf die Wellenlänge, so dass auf diese Weise weißes Licht erzeugt werden kann.
-
Die Patentschrift
US 7,356,054 B2 beschreibt eine derartige Beleuchtungseinrichtung. Hierbei ist das Konversionsmedium direkt mit dem Ende des Lichtleiters verbunden, um eine hohe Leuchtdichte zu erzielen. Die Anregung des Konversionsmediums erfolgt demnach in Transmission, d. h die Strahlung trifft das Konversionsmedium auf der einen Seite und wird über eine andere Seite abgegeben. Als nachteilig kann sich eine relativ hohe Verlustleistung im Konversionsmedium erweisen, die zu einer Erwärmung und zu einer hohen thermischen Belastung des Konversionsmediums führen kann. Die Wärmeabfuhr gestaltet sich häufig auch bei einer derartigen Anordnung von Strahlungseinrichtung und Konversionsmedium schwierig. Zudem ist ein einfaches Austauschen des Konversionsmediums im Falle einer Beschädigung ebenso kompliziert.
-
Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, eine Beleuchtungseinrichtung zu entwickeln, welche im Fernbereich in homogenes weißes Licht erzeugt, wobei im Nahbereich ein davon abweichendes Licht erzeugt werden kann.
-
Wünschenswert wäre es weiterhin eine Beleuchtungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, welche weißes Licht mit einer ausreichend hohen Effizienz erzeugt und eine gute Wärmeabführung ermöglicht.
-
Dabei soll die Beleuchtungseinrichtung insbesondere für Reflektions- oder Projektionseinrichtungen sowie insbesondere für Scheinwerfer verwendet werden können.
-
Überraschend einfach wird diese Aufgabe durch eine Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung von Licht mit unterschiedlicher Abstrahlcharakteristik, umfassend zumindest eine Anregungslichtquelle, ein Strahlformungselement und einen Konverter, nach einem der unabhängigen Ansprüche gelöst.
-
Bevorzugte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Die Erfindung betrifft demnach eine Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung von Licht mit unterschiedlicher Abstrahlcharakteristik, umfassend eine Anregungslichtquelle zur Abgabe von blauem Anregungslicht, ein Strahlformungselement und einen Konverter zur Konvertierung eines Teils des Anregungslichtes.
-
Die Beleuchtungseinrichtung umfasst demnach zumindest eine Strahlungsquelle zur Emission elektromagnetischer Strahlung. Die von der Strahlungsquelle abgegebene elektromagnetische Strahlung wird im Sinne der Erfindung auch als Anregungslicht und die Strahlungsquelle als Anregungslichtquelle bezeichnet.
-
Ein erster Teil des Anregungslichtes kann in langwelligeres Licht konvertiert werden. Daher kann konvertiertes Licht mit einer ersten Abstrahlcharakteristik emittiert werden, wobei ein anderer Teil des Anregungslichtes mit einer zweiten Abstrahlcharakteristik abgestrahlt werden kann, so dass durch die Beleuchtungseinrichtung Licht mit unterschiedlicher Abstrahlcharakteristik erzeugt werden kann.
-
Durch Überlagerung des konvertierten Lichts und des vom Konverter abgestrahlten Anregungslichts kann im Nahbereich ein gewünschter, vorgegebener Farbeindruck erzeugt werden, wohingegen das insgesamt abgestrahlte Licht im Fernbereich homogen weiß erscheint.
-
Der Konverter kann dabei zur Transmission und/oder zur Remission des Anregungslichtes verwendet werden.
-
Der Konverter betrifft eine Baugruppe, umfassend ein Konversionsmedium zur Konvertierung elektromagnetischer Strahlung, welches weiterhin eine Kornstruktur zur Streuung des Anregungslichtes aufweisen kann. Es kann zudem eine Beschichtung, vorzugsweise eine AR-Beschichtung vorgesehen sein, um unerwünschte Reflektionen des Anregungslichtes und/oder den konvergierten Lichtes an den Grenzflächen des Konversionsmediums zu reduzieren. Vorzugsweise ist die AR-Beschichtung auf der dem Anregungslicht zugewandten Seite des Konverters angeordnet.
-
Weiterhin kann auf der dem Anregungslicht abgewandten Seite des Konverters ein Spiegel bzw. eine Verspiegelung vorgesehen sein. Ein rückseitig angeordneter Spiegel ist besonders für eine Remission des Anregungslichtes geeignet.
-
Ebenso kann frontseitig, also auf der dem Anregungslicht zugewandten Seite ein Filter, insbesondere ein Kurzpassfilter für blaues Licht, vorgesehen sein, welcher entsprechend für blaues Anregungslicht durchlässig ist, aber konvertiertes, langwelligeres Licht zu einer gegenüberliegenden Austrittsseite spiegelt. Eine derartige Anordnung ist besonders günstig für eine Transmission des Anredungslichtes.
-
Die Abstrahlcharakteristik des abgestrahlten Anregungslichtes kann durch verschiedene Größen beeinflusst werden. Insbesondere kann die Abstrahlcharakteristik des abgestrahlten Anregungslichtes durch die Streueigenschaften und/oder die Oberflächenbeschaffenheit und/oder die Dicke und/oder die Form und/oder die geometrische Position der Grenzflächen des Konverters bestimmt werden.
-
So kann die Kornstruktur des Konversionsmediums Art und Umfang der Streuung des Anregungslichtes beeinflussen.
-
Weiterhin kann die Oberflächenbeschaffenheit die Streuung des blauen Anregungslichtes auf der Lichteintrittsseite beeinflussen, wobei beispielsweise eine Streuschicht auf den Konverter aufgebracht sein kann oder die dem Anregungslicht zugewandte Oberfläche des Konverters mit einer bestimmten Rauhigkeit ausgebildet ist.
-
Die Dicke des Konverters, somit die Weglänge der Strahlung des Anregungslichtes im Konversionsmedium, kann die Streuung und damit die Abstrahlcharakteristik des Anregungslichtes beeinflussen.
-
Weiterhin kann die geometrische Form des Konverters, insbesondere die Ausrichtung der dem Anregungslicht zugewandten und die dem Anregungslicht abgewandten Seiten des Konverters zueinander, die Abstrahlcharakteristik beeinflussen. Besonders vorteilhaft kann der Konverter dazu auch keilförmig ausgebildet sein, so dass die dem Anregungslicht zugewandte und die abgewandte Seite nicht auf parallelen Ebenen liegen.
-
Die Ausbildung der Grenzfläche, also der Oberfläche des Konverters, kann ebenfalls strahlformend wirken und somit die Abstrahlcharakteristik des abgestrahlten Anregungslichtes beeinflussen. So kann beispielsweise die rückseitige Grenzfläche, also die der Anregungslichtquelle abgewandte Seite des Konverters, ballig ausgebildet sein.
-
Die Abstrahlcharakteristik des emittierten, konvertierten Anregungslichtes kann ebenso durch die vorstehend genannten Größen bestimmt werden, insbesondere durch die Streueigenschaften und/oder die Oberflächenbeschaffenheit und/oder die Dicke und/oder die Form und/oder die geometrische Position der Grenzflächen des Konverters.
-
Der Grad der Konvertierung kann dabei insbesondere durch die Dicke des Konversionsmediums beeinflusst werden, wobei die Dicke insbesondere im Verhältnis zur Absorptionslänge des Anregungslichtes ausgewählt werden kann.
-
Die Beleuchtungseinrichtung umfasst weiterhin ein Strahlformungselement, welches bevorzugt im Strahlengang bzw. der Beleuchtungsrichtung des Konverters vorgesehen ist für eine Formung des konvertierten Anregungslichtes und des abgestrahlten Anregungslichtes.
-
Besonders günstig kann das Strahlformungselement dabei einen Planspiegel und/oder einen gekrümmten Spiegel, beispielsweise einen parabolischen Hohlspiegel, und/oder eine Linse umfassen.
-
In einer besonderen Ausführungsform umfasst die Beleuchtungseinrichtung weiterhin ein optisches Element, welches in Beleuchtungsrichtung im Nahbereich des Strahlformungselements vorgesehen ist.
-
Als Nahbereich ist im Sinne der Erfindung eine Distanz zu der Beleuchtungseinrichtung zu verstehen, bei der die Lage der Strahlen aus dem Strahlformungselement vom Austrittspunkt aus dem Strahlformungselement abhängt und räumlich unterschiedlich für einen Betrachter wahrnehmbar ist. Typischerweise liegt dieser Bereich in einer Entfernung von der Beleuchtungseintrichtung, welcher kleiner ist als der zehnfache Wert der Ausdehnung des Strahlformungselements. Als Ausdehnung kann beispielsweise der Durchmesser des Strahlformungselements angenommen werden.
-
Als Fernbereich ist im Sinne der Erfindung eine Distanz zu der Beleuchtungseinrichtung zu verstehen, bei der die Lage der Strahlen im wesentlichen vom Austrittswinkel der Strahlung aus dem Strahlformungselement abhängt. Durch Überlagerung und Mischen des konvertierten Lichtes und des abgestrahlten Anregungslichtes kann ein homogenes Licht erzeugt werden.
-
In einer besonderen bevorzugten Ausführungsform kann das optische Element streuende Eigenschaften aufweisen.
-
Auf diese Weise kann im Nahbereich ein optisch wahrnehmbarer Farbeindruck erzeugt werden, der von dem optisch wahrnehmbaren Farbeindruck im Fernbereich abweicht. Insbesondere ist dabei der optisch wahrnehmbaren Farbeindruck im Fernbereich überwiegend homogen, wohingegen im Nahbereich unterschiedliche Farbeindrücke in Bezug auf die für einen Betrachter optisch wahrnehmbare Farbe und Helligkeit erzeugt werden können.
-
Der Farbeindruck kann dabei an einer Grenzfläche des optischen Elements erzeugt werden. Er kann aber auch im Volumen des optischen Elements erzeugt werden, wobei zusätzlich ein räumlicher, also dreidimensionaler Effekt bewirkt werden kann.
-
In einer weiteren Ausführungsform wird der Farbeindruck im Nahbereich durch eine entsprechende Ausbildung des Strahlformungselements erzeugt, wodurch auf ein zusätzliches optisches Element verzichtet werden kann. Hierzu kann das Strahlformungselement durch eine besondere Oberflächenstruktur, beispielsweise durch eine bestimmte Rauhigkeit der der Strahlung zugewandten Seite des Strahlformungselements, ausgebildet sein.
-
In einer Projektionseinrichtung kann auf einer von außerhalb der Einrichtung sichtbaren Linse auf einer Oberfläche, insbesondere auf der Lichtaustrittsseite der Linse, eine besondere Oberflächenstruktur, beispielsweise durch eine bestimmte Rauhigkeit der der Strahlung zugewandten Seite in einem Reflektor, ausgebildet sein. In einer anderen Ausführungsform kann die Linse auch in ihrem Volumen streuend wirken, zum Beispiel durch den Einschluss von Partikeln. Der Farbeindruck kann somit durch Streuung in oder auf dem Strahlformungselement bewirkt werden.
-
Ein vorgegebener Farbeindruck kann durch eine räumliche Verteilung von Orten unterschiedlicher Farbkoordinaten, Helligkeit und/oder Abstrahlcharakteristik im optischen Element bewirkt werden, wobei die Farbkoordinaten anhand des CIE-Normvalenzsystem und die Helligkeit anhand der Lichtstärke bestimmt werden können. Im Nahbereich kann somit ein in Bezug auf die Farbkoordinaten und/oder die Helligkeit für einen Betrachter heterogenes Licht erzeugt werden.
-
Die Anregungslichtquelle der Beleuchtungseinrichtung kann eine Lichtquelle zur Erzeugung monochromatischen Lichtes umfassen, wobei die Lichtquelle bevorzugt im blauen Spektralbereich emittiert. Das Licht der monochromatischen Lichtquelle kann durch einen Laser erzeugt werden. Gegenstand der Erfindung ist demnach eine Anregungslichtquelle, insbesondere eine monochromatische Lichtquelle, wobei das monochromatische Licht durch einen Laser erzeugt werden kann. Unter blauen Spektralbereich der von der Anregungslichtquelle emittierten Strahlung wird dabei derjenige Wellenlängenbereich verstanden, der überwiegend unter 500 nm, bevorzugt unter 480 nm und besonders bevorzugt unter 470 nm liegt.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Lichtquelle zumindest einen Halbleiterlaser oder eine Laserdiode, welche sehr hohe Leistungsdichten erreichen können.
-
Die Anregungslichtquelle kann weiterhin einen optischen Lichtleiter umfassen mit einem Strahlung emittierenden Ende. An dem entgegengesetzten bzw. gegenüberliegenden Ende des optischen Lichtleiters kann Anregungslicht der Anregungslichtquelle eingekoppelt werden. Besonders bevorzugt kann in den optischen Lichtleiter elektromagnetische Strahlung im blauen Spektralbereich eingekoppelt werden.
-
Auf diese Weise kann die Anregungslichtquelle von der Beleuchtungseinrichtung räumlich separiert werden. Dies kann vorteilhaft sein, wenn die Anregungslichtquelle beispielsweise aufgrund der Platzverhältnisse nicht in oder im direkten Bereich der Beleuchtungseinrichtung platziert werden kann.
-
Weiterhin kann auf diese Weise die Anregungslichtquelle auch thermisch von der Beleuchtungseinrichtung entkoppelt und somit besser gekühlt werden.
-
Zudem ist es möglich, mit nur einer Anregungslichtquelle mehrere erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtungen mit Anregungslicht zu versorgen. Hierzu kann das Anregungslicht beispielsweise parallel in zumindest zwei oder mehrere optische Lichtleiter eingekoppelt werden. Der optische Lichtleiter kann hierzu auch einen Strahlteiler mit einem eingangsseitigen Ende und zumindest zwei oder mehreren ausgangsseitigen Enden umfassen.
-
Zur Erzielung einer besonders hohen Leuchtdichte, insbesondere zur Erzielung einer besonders hohen Leistung, ist es auch möglich, Anregungslicht von mehreren Anregungslichtquellen in einen optischen Lichtleiter einzukoppeln. Es ist aber auch möglich, Anregungslicht von mehreren Anregungslichtquellen über mehrere optische Lichtleiter zu der Beleuchtungseinrichtung zu transportieren und auf den Konverter abzustrahlen.
-
Der optische Lichtleiter kann in einer besonders bevorzugten Ausführung einen faseroptischen Lichtleiter umfassen. Typischerweise umfassen derartige Lichtleiter einen Kern- und einen Mantelbereich mit unterschiedlichen Brechungsindizes und vermögen es, beispielsweise mittels Reflexion, elektromagnetische Strahlung zu leiten. Vorzugsweise ist der optische Lichtleiter zur Leitung von blauen und/oder ultravioletten elektromagnetischen Strahlen ausgebildet. Es können auch andere Arten von faseroptischen Lichtleitern verwendet werden, umfassend Gradientenindexfaser-Lichteiter oder photonische Kristallfaser-Lichtleiter.
-
Im Falle der Verwendung eines Faserbündels kann mittels Strahlformer oder diffraktiver optischer Elemente die Intensitätsverteilung der elektromagnetischen Strahlung der Anregungslichtquelle derart angepasst werden, dass bei Einkopplung in einen faseroptischen Lichtleiter jede Faser eines Faserbündels die gleiche Strahlungsenergie erhält.
-
Die Anregungslichtquelle ist vorzugsweise mit einer Trägervorrichtung fest und lösbar verbunden. Die Trägervorrichtung kann daher mit Befestigungsmitteln für eine Positionierung und Fixierung der Anregungslichtquelle ausgebildet sein, wodurch ein einfaches und sicheres Austauschen der Anregungslichtquelle ermöglicht werden kann. Hierzu kann die Trägervorrichtung beispielsweise mit Positionierhilfen, etwa Anschlägen oder Stiften, zur Aufnahme der Anregungslichtquelle ausgebildet sein.
-
Zur Aufnahme eines oder mehrerer optischer Lichtleiter kann die Trägervorrichtung vorteilhaft mit Rillen oder Nuten ausgebildet sein, in die der optische Lichtleiter eingelegt und mit einem Niederhalter befestigt werden kann. Als besonders geeignet haben sich hierzu auch V-Grooves herausgestellt, welche besonders geeignet sind für eine hochgenaue Positionierung optischer Lichtleiter. Auf diese Weise kann besonders günstig eine stabile Führung auch von mechanisch instabilen optischen Lichtleitern ermöglicht werden. Mittels eines Niederhalters kann der optische Lichtleiter fixiert werden.
-
Eine exakte, hochgenaue räumliche Positionierung und Orientierung der Anregungslichtquelle in Bezug auf das Konversionsmedium ist sehr wichtig, um einen genau bestimmten Bereich des Konverters zu bestrahlen.
-
Die Positionierung und Orientierung der Anregungslichtquelle erfolgt vorzugsweise derart, dass das Anregungslicht in Richtung auf den Konverter emittiert wird.
-
Für eine hohe Leuchtdichte ist es günstig, wenn ein möglichst großer Anteil des Anregungslichtes einen möglichst kleinen Bereich des Konverters bestrahlt. Der Bereich der Oberfläche des Konverters, der direkt im Strahlengang des Anregungslichtes liegt, wird nachfolgend auch als Leuchtfleck bezeichnet. Für eine hoch effiziente Beleuchtungseinrichtung ist eine exakte Positionierung des Leuchtflecks notwendig, daher ist die exakte Lage des Leuchtflecks in Bezug zu Positionierhilfen der Beleuchtungseinrichtung bzw. der Trägervorrichtung von sehr hoher Bedeutung.
-
Zur Erzielung einer hohen Leuchtdichte und einer hohen Effizienz ist die Ausbildung eines möglichst kleinen Leuchtfleckes und eine möglichst geringe Abschattung durch die Lichtzuführung von hoher Bedeutung, wobei eine geringe Größe der Beleuchtungseinrichtung und ein geringer mechanischer Aufwand zur exakten Positionierung von großen, Vorteil sind.
-
Die Leuchtdichte und die Effizienz können durch den Abstand zwischen Anregungslichtquelle und Konverter, der Größe der Anregungslichtquelle und die NA des Anregungslichtes beeinflusst werden.
-
Durch die geometrische Anordnung von Anregungslichtquelle und Konversionsmedium kann sich der Nachteil ergeben, dass die Anregungslichtquelle im Bereich des Strahlengangs, also entlang des optischen Pfades, der Sekundärstrahlung liegt, wenn die Abstrahlung des Konverters in Remission erfolgt. Dies kann zu unerwünschten Abschattungseffekten führen, da die Anregungslichtquelle und/oder die Trägervorrichtung im Strahlengang der Sekundärstrahlung liegen können.
-
Um diese unerwünschten Abschattungseffekte zu minimieren, kann der Abstand zwischen Anregungslichtquelle und Konversionsmedium vergrößert werden. Eine Vergrößerung des Abstandes kann aber zu einem deutlichen Verlust an Leuchtdichte führen, da mit größer werdenden Abstand typischerweise der Leuchtfleck vergrößert wird und die Leuchtdichte dementsprechend abnimmt.
-
Die Erfinder haben herausgefunden, dass ein geringer Abstand und eine geringe Abschattung erreicht werden können, wenn der Konverter um einen bestimmten Winkel in Relation zu dem optischen Pfad des Anregungslichtes gedreht wird, so dass das Anregungslicht schräg auf die Oberfläche des Konverters auftrifft und remittiertes Licht im wesentlichen nicht auf die Anregungslichtquelle und/oder die Trägervorrichtung gerichtet ist.
-
Zur Erreichung einer besonders kompakten und mechanisch einfachen Bauform zur Remission von Anregungslicht, die eine besonders hohe Genauigkeit der Lage des Leuchtflecks ermöglicht, können in einer besonderen Ausführungsform die Anregungslichtquelle und der Konverter auf einer gemeinsamen Trägervorrichtung angeordnet sein, wobei der Konverter schräg zu dem optischen Pfad des Anregungslichtes ausgerichtet sein kann. Besonders gute Erfahrungen wurden gemacht bei einem Winkel zwischen dem optischen Pfad des Anregungslichtes und einer Normalen zu der Oberfläche des Konversionsmediums in einem Bereich von 30° bis 75°.
-
Unter einem Konversionsmedium des Konverters wird im Sinne der Erfindung ein Material zur optischen Konversion verstanden. Derartige Materialien enthalten typischerweise Leuchtstoffe, welche als optisch aktive Medien die Konversion bewirken.
-
Das Konversionsmedium kann Anregungslicht in langwelligeres Licht derart konvertieren, dass ein Anteil des Anregungslichtes in langwelliges, gelbes Licht konvertiert wird und ein weiterer Anteil als blaues Licht gestreut und/oder reflektiert wird. Ein erster Anteil des Anregungslichtes kann demnach in einen gelben Spektralbereich konvertiert werden.
-
Weiterhin kann ein Anteil im grünen Spektralbereich des konvertierten gelben Lichtes herausgefiltert werden, um auf diese Weise einen weißen Farbort des remittierten Lichtes im Fernbereich zu erhalten, wenn die Farbgerade zwischen dem Farbort des Anregungslicht und Farbort des konvertierten Lichts nicht den gewünschten Weiss-Farbort schneidet, sondern in CIE-y nach oben abweicht. Falls die Farbgerade unterhalb dieses Bereiches liegt, somit also der. CIE-y zu gering ist, kann auch ein Rotanteil ausgefiltert werden.
-
Das Konversionsmedium kann dabei zur Erzeugung von Weißlicht im Fernbereich vorteilhaft derart ausgebildet sein, dass es besonders gut für eine Remission elektromagnetischer Strahlung im blauen und/oder ultravioletten Spektralbereich geeignet ist.
-
Als ein geeignetes Material für das Konversionsmedium hat sich ein optokeramisches Material mit eingelagerter Kornstruktur für eine Verwendung von Anregungslicht im blauen Spektralbereich erwiesen.
-
Besonders bevorzugt umfasst das Konversionsmedium ein niedrig dotiertes, insbesondere mit weniger als 0,2 Gew.-% dotiertes Ce:YAG Phosphor-Material. Eine geringe Dotierung ist vorteilhaft im Hinblick auf eine Vermeidung von Konzentrations-Quenching.
-
Die Verwendung eines Gadolinium-freien optokeramischen Konversionsmediums kann zudem vorteilhaft aufgrund der vergleichsweise hohen Wärmebeständigkeit sein.
-
Besonders bevorzugt kann ein optokeramisches Material aus Ce:YAG mit einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 5 W/(m·K) verwendet werden, um besonders hohe Leuchtdichten zu erreichen. So können derartige Konversionsmedien beispielsweise bei Temperaturen bis über 200°C ohne Beeinträchtigung der Konversionseigenschaften bzw. ohne Schädigung verwendet werden.
-
Als weiterhin geeignete Materialien haben sich Phosphor-Materialien auf der Basis von Ce:TAG und/oder Ce:LuAG herausgestellt.
-
Die Befestigung der Anregungslichtquelle und des Konverters auf einer gemeinsamen Trägervorrichtung kann von großem Vorteil sein im Hinblick auf eine hochgenaue Positionierung beider Bauteile zueinander und der Realisierung einer sehr kompakten Bauform sein.
-
Die Trägervorrichtung und/oder die Halterung zum Befestigen des Konverters können bevorzugt für eine gute Wärmeableitung ausgebildet sein. Hierzu können die Trägervorrichtung und/oder die Halterung beispielsweise Kühlrippen aufweisen. Sie können aber auch thermisch an einen Kühlkörper angebunden sein.
-
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform kann die Anregungslichtquelle einen optischen Lichtleiter mit einer räumlich separierten Anregungslichtquelle umfassen. So kann eine defekte Anregungslichtquelle einfach ausgetauscht werden, ohne dass die Beleuchtungseinrichtung demontiert werden muss.
-
Aufgrund der kompakten Bauform kann die Beleuchtungseinrichtung auch drehbar oder beweglich in einem oder mehreren Freiheitsgraden eingebaut werden, um eine Veränderung der Beleuchtungsrichtung, beispielsweise für ein adaptives Licht, zu bewirken.
-
In einer Weiterbildung der Erfindung kann ein optisches Element zur Fokussierung im Strahlengang zwischen der Anregungslichtquelle und dem Konverter angeordnet sein. Hierdurch kann das Anregungslicht auf den Konverter fokussiert werden, wodurch ein besonders kleiner Leuchtfleck erzeugt und die Leuchtdichte verbessert werden kann. Für eine optimale Konvertierung kann so der Fokus des Anregungslichtes innerhalb des Konversionsmediums liegen.
-
Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft weiter einen Scheinwerfer zur Beleuchtung, welcher eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung und einen Reflektor umfasst. Dabei ist die Beleuchtungsvorrichtung derart ausgebildet, dass der Leuchtfleck im Arbeitspunkt des Reflektors angeordnet ist.
-
Ebenso kann die Beleuchtungseinrichtung auch für einen Projektor verwendet werden, wobei der Leuchtfleck im Arbeitspunkt eines Linsensystems des Projektors angeordnet sein kann.
-
Ferner betrifft die Erfindung einen Scheinwerfer für eine Verwendung in Fahrzeugen, welcher eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung umfasst. Hierzu kann der Reflektor als Scheinwerfer ausgebildet sein bzw. der Scheinwerfers eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung derart umfassen, dass der Leuchtfleck des Konverters im Arbeitspunkt des Scheinwerferreflektors liegt.
-
Bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung für einen Scheinwerfer ist der Konverter entsprechend den Vorgaben und Richtlinien, betreffend Weißlicht für Fahrzeuge, auszuwählen. Für Fahrzeugscheinwerfer ist dies beispielsweise in entsprechenden ECE-Regelungen und CIE-Normen festgelegt.
-
Um tagesähnliche Lichtfarben zu erreichen, kann ein Farbort im Bereich von 5500 K bis 6500 K günstig sein. Hierzu kann ein Konversionsmedium ausgewählt werden, welches in Abhängigkeit des Strahlungsspektrums das Anregungslicht in eine Sekundärstrahlung mit einer einem weißen Farbort entsprechende Strahlungscharakteristik konvertiert.
-
Kohärentes blaues Licht aus einer Laserlichtquelle birgt eine nicht unwesentliche Gefahr für einen Betrachter, wenn er direkt in das Anregungslicht blickt. So besteht beispielsweise diese Gefahr, wenn sich der Konverter löst und dadurch Anregungslicht direkt ausgekoppelt wird und in die Umgebung gelangt.
-
Zur Vermeidung eines unkontrolliert austretenden Anregungslichtes kann der Reflektor daher mit einer sogenannten Strahlfalle ausgebildet sein und beispielsweise eine Öffnung umfassen, durch die im Falle einer Beeinträchtigung des optischen Systems das Anregungslicht ausgeleitet werden kann, ohne in die Umgebung zu gelangen. Die Beeinträchtigung der Effizienz des Reflektors kann minimiert werden, wenn die Anregungslichtquelle Anregungslicht mit einer kleinen Apertur emittiert und die Öffnung im Reflektor dadurch sehr klein gehalten werden kann.
-
Weiterhin kann auch der Konverter auf seiner rückseitigen, dem Anregungslicht abgewandten Fläche ballig poliert sein und/oder von einer hohlspiegelartigen Halterung umgeben sein, so dass bei einem Defekt oder Abfall des Konverters das Anregungslicht wieder auf die Anregungslichtquelle reflektiert wird.
-
Im allgemeinen betrifft die Erfindung Beleuchtungseinrichtungen, bei denen ein Betrachter in einem Nahbereich einen ersten farblichen, optischen Eindruck erhält, wohingegen im Fernbereich ein homogener Farbeindruck, insbesondere ein homogenes Weißlicht, erzeugt wird.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele und den angefügten Ansprüchen.
-
Die Zeichnungen zeigen:
-
1 eine schematische Seitenansicht der Beleuchtungseinrichtung,
-
2 eine schematische Draufsicht auf eine Trägervorrichtung,
-
3 eine Sicht auf ein schräg angeordnetes Konversionsmedium mit einer Beschichtung,
-
4 eine schematische Anordnung einer Beleuchtungseinrichtung und eines Reflektors,
-
5 eine weitere schematische Anordnung einer Beleuchtungseinrichtung und eines Reflektors,
-
6 eine schematische Anordnung einer Beleuchtungseinrichtung mit einer Strahlfalle,
-
7 eine weitere schematische Anordnung einer Beleuchtungseinrichtung mit einer Strahlfalle und
-
8 ein Ausführungsbeispiel, das die Einstellung eines Weißfeld nahen Punktes im Farbspektrum-Diagramm ermöglicht.
-
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
-
Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen bezeichnen um der Klarheit willen gleiche Bezugszeichen im Wesentlichen gleiche Teile in oder an diesen Ausführungsformen.
-
1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung im Querschnitt. Die Anregungslichtquelle umfasst einen optischen Lichtleiter, der als faseroptischer Lichtleiter 14 ausgebildet ist und in den elektromagnetische Strahlung einer Anregungslichtquelle 18 eingekoppelt wird. Der Lichtleiter 14 emittiert eingekoppelte elektromagnetische Strahlung als Anregungslicht an seinem einen Ende 15 in Richtung auf einen Konverter 11.
-
Die Trägervorrichtung 10 ist im Bereich der Befestigung des Konverters 11 mit einer Verspiegelung 12 versehen. Dies kann beispielsweise eine Beschichtung der entsprechenden Kontaktfläche 17 sein. Des weiteren kann die Halterung auch mit einem Spiegel oder einem metallischen Spiegel ausgebildet sein.
-
Ein Niederhalter 13 dient der Fixierung des zumindest einen optischen Lichtleiters 14. Eine Zugentlastung (nicht dargestellt) kann zur Sicherung des faseroptischen Lichtleiters vorgesehen sein.
-
Besonders günstig ist der Niederhalter 13 sehr flach ausgebildet, um die Abschattung zu minimieren. Ein Niederhalter 13 ist nicht zwingend vorgeschrieben; beispielsweise kann der optische Lichtleiter 14 auch in oder auf die Trägervorrichtung geklebt werden.
-
2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine. Trägervorrichtung 10, umfassend einen Konverter 11. Insgesamt drei Nuten bzw. Rillen 20 sind vorgesehen, um faseroptische Lichtleiter (nicht dargestellt) als Anregungslichtquelle aufzunehmen. Besonders günstig sind die Nuten bzw. Rillen 20 als sogenannte V-Grooves ausgebildet, welche eine sehr gute Aufnahme von faseroptischen Lichtleitern ermöglichen, ohne diese zu schädigen. Das Vorhandensein von drei Aufnahmemöglichkeiten für Lichtleiter stellt eine mögliche Ausführungsform dar, ist aber nicht zwingend für eine erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung. Vielmehr richtet sich die Anzahl der optischen Lichtleiter nach den Erfordernissen der bestimmten Verwendung, beispielsweise nach zu erreichenden Leuchtdichte oder der zu tolerierenden Temperatur der Anregungslichtquelle.
-
Das Anregungslicht der Anregungslichtquellen trifft besonders vorteilhaft an einem gemeinsamen Punkt auf den Konverter 11 auf, der den Leuchtfleck 22 darstellt. Zur Erreichung einer hohen Effizienz und/oder einer hohen Leuchtdichte ist der Leuchtfleck 22 möglichst klein zu halten.
-
Die Trägervorrichtung 10 ist weiterhin mit Öffnungen und/oder Bohrungen 21 ausgebildet zur Befestigung mit weiteren Gegenständen wie beispielsweise einem Reflektor (nicht dargestellt). Für eine hochgenaue Positionierung und/oder Orientierung der Trägervorrichtung kann diese beispielsweise mit Langlöchern 25 und Bohrungen 24 für Paßstifte ausgebildet sein.
-
In 3 ist schematische eine Ansicht eines Konverters im Querschnitt dargestellt, wobei Anregungslicht 63 schräg auf den Konverter auftrifft.
-
Die Trägervorrichtung 16 ist im Bereich der Befestigung mit dem Konversionsmedium 11 mit einem breitbandig reflektierenden Spiegel 62 ausgebildet. Dies kann auch eine breitbandig reflektierende Beschichtung der Trägervorrichtung 16 sein. Der Konverter 11 ist auf der dem Anregungslicht zugewandten Fläche mit einer als Bandstopfilter wirkenden Schicht 61 ausgebildet, die einen bestimmten Anteil im konvertierten gelben Licht reflektiert, so dass die konvertierte Strahlung in einem bestimmten Wellenlängenbereich gefiltert werden kann Der reflektierte oder zurückgestreute blaue Spektralanteil und der konvertierte, gefilterte gelbe Spektralanteil ergeben in ihrer Mischung weißes Beleuchtungslicht
-
Diese Schicht 61 kann zusätzlich auch mit einem AR-Coating ausgebildet sein, um eine Reflektion von Anregungslicht und/oder konvertierten Licht zu reduzieren und auf diese Weise die Effizienz der Konvertierung zu verbessern.
-
Die Ausbreitungsrichtung 72 des vom Konversionsmediums 11 konvertierten gelben Lichtes entspricht näherungsweise einem Lambert'schen Strahler, während reflektiertes oder gestreutes blaues oder ultraviolettes Licht näherungsweise in eine bestimmte Strahlrichtung 64 ausgesendet wird.
-
4 zeigt eine schematische Anordnung einer erfindungsgemäßen Beleuchtungseinrichtung innerhalb eines Reflektors 71. Das Konversionsmedium 11 ist im Arbeitsbereich des Reflektors 71 angeordnet, wobei der Reflektor 71 in Beleuchtungsrichtung des Konverters 11 angeordnet ist. Der Reflektor 71 ist als parabolischer Halb-Hohlspiegel ausgebildet. Der Konverter 11 ist schräg zum Anregungslicht 63 angeordnet.
-
Der Strahlkegel des reflektierten oder gestreuten blauen Lichtes ist durch seine äußere Begrenzung 81, 82 bestimmt. Das blaue Licht wird am Reflektor reflektiert und tritt im wesentlichen kollimiert aus dem Reflektor aus. Die Strahlengänge 83, 84 zeigen die äußeren Begrenzungen des blauen, kollimierten Lichtes der abgebildeten Ausführungsform. Eine optische Einrichtung 85 ist im Strahlengang des Reflektors ausgebildet. Die optische Einrichtung 85 kann beispielsweise als Abdeckung des Reflektors ausgebildet sein.
-
Diese kann eine Fresnel-Oberfläche oder eine raue Grenzfläche aufweisen, um eine diffuse Streuung des Lichtes zu ermöglichen.
-
Eine Sicht auf die optische Einrichtung in Richtung zum Reflektor 71 zeigt 91. Bei der abgebildeten Ausführungsform sieht ein von außen auf die optische Einrichtung schauender Betrachter im Nahbereich eine annähernd homogene, erste Fläche 93, welche gelblich oder weiß erscheinen kann, sowie eine räumlich separierte zweite Fläche 92, welche im wesentlichen blau erscheint und kreisförmig ausgebildet ist. Die zweite Fläche 92 wirkt auf einen Betrachter im Nahbereich blau.
-
Auf diese Weise kann für einen Betrachter im Nahbereich ein optische Farbeindruck bewirkt werden, der einer sogenannten ”Laser-Pupille” entsprechen kann. Im Fernbereich kann eine derartige Beleuchtungseinrichtung hingegen ein Weißlicht erzeugen.
-
In 5 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform gezeigt, bei der Anregungslicht 63 senkrecht auf die Oberfläche des Konversionsmediums 11 auftrifft. Die Anregungslichtquelle liegt demnach im Strahlengang der vom Konversionsmedium remittierten Strahlung, wodurch eine Abschattung erfolgt. Der Reflektor ist als parabolischer Hohlspiegel 86. ausgebildet.
-
Ein von außen auf den Reflektor 86 schauender Betrachter kann im Nahbereich eine annähernd homogene, erste Fläche 93, welche gelblich oder weiß erscheinen kann, sowie eine räumlich separierte zweite Fläche 92, welche im wesentlichen blau erscheint, erkennen. Die zweite Fläche 92 wirkt auf einen Betrachter im Nahbereich blau. Aufgrund des senkrechten Auftreffens des Anregungslichtes 63 auf das Konversionsmediums 11 liegt die zweite Fläche 92 im Zentrum der beleuchteten Fläche 91. Aufgrund der Abschattung ist eine zentrale dritte Fläche 94 erkennbar, welche im Nahbereich deutlich schwächer beleuchtet ist, also eine geringere Helligkeit aufweist.
-
Auf diese Weise kann beispielsweise ein sogenannter ”Engelsauge”-Effekt für einen Betrachter im Nahbereich erzeugt werden. Im Fernbereich kann eine derartige Beleuchtungseinrichtung hingegen ein Weißlicht erzeugen.
-
In 6 ist eine Weiterbildung der Erfindung, umfassend eine optische Linse 101 zum Fokussieren des Anregungslichtes 63 auf eine Fläche des Konversionsmediums 11 schematisch gezeigt. Schematisch abgebildet ist weiterhin eine Strahlfalle 102, welche als Hohlspiegel auf der der Anregungslichtquelle abgewandten Seite des Konversionsmediums vorgesehen ist. Bei einem Defekt oder Abfallen des Konversionsmediums kann auf diese Weise das für die Umgebung schädliche reflektierte oder gestreute blaue Licht in Richtung der Anregungslichtquelle zurückreflektiert werden.
-
7 zeigt eine nochmalige Weiterbildung der Erfindung, bei der eine Strahlfalle 102 außerhalb eines Reflektors 71 an einer Stelle vorgesehen ist, auf die reflektiertes oder gestreutes blaues Licht fällt im Falle eines Abfallens des Konversionsmediums 11.
-
Anhand der 8 wird einweiteres Ausführungsbeispiel beschreiben, das die Einstellung eines Weißfeld-nahen Punktes im Farbspektrum-Diagramm ermöglicht. Für den Remissionsbetrieb sei der Konverter 11 mit einem Spiegel 31 versehen. Um auf der Konversionsgeraden im Farbspektrum-Diagramm in die Nähe des Weißfeldes zu gelangen, wird der Konverter 11 hinsichtlich seiner Streueigenschaften so ausgewählt, dass 20% des blauen Anregungslichtes remittiert und 80% absorbiert werden.
-
Für den Transmissionsbetrieb wird der Konverter 11 so ausgewählt, dass 20% des blauen Anregungslichtes nach Durchdringen des Konverters auf einer der Eintrittsseite gegenüberliegenden Seite abgestrahlt wird.
-
Der absorbierte Anteil des Anregungslichtes wird zum großen Teil in gelbes Licht konvertiert und entweder direkt oder nach Reflexion am Spiegel 31 als Streukeule 51 emittiert.
-
Das blau remittierte Licht setzt sich aus einem Fresnel-Reflex 40 und einer Streukeule 41 zusammen. Diese Streukeule 41 weist eine Lambert'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 zweiten Streukeule 42. Diese zweite Streukeule 42 hat – je nach Konverterdicke und Streuung – eine mehr oder weniger gerichtete Abstrahlcharakteristik. Durch die Oberlagerung der Streukeulen 40, 41, 42 des Anregnungslichts und der Streukeule 51 des konvertierten Lichts entsteht eine Winkelabhängigkeit des Farbeindrucks. Die Winkelabhängigkeit kann durch Aufrauen der Konverteroberfläche reduziert werden.
-
Die Feinanpassung zum Erreichen des Weißfeld-nahen Punktes kann alternativ über den Auftrag einer dünnen Streuschicht auf der Anregungsseite des Konverters 11 erfolgen. Die Streuschicht kann zum Beispiel aus TiO2 oder undotiertem, optokeramischem Material bestehen. In beiden Fällen wird der Blauanteil gegenüber dem Gelbanteil des emittierten Lichtes erhöht.
-
Um in das Weißfeld des Farbspektrum-Diagramms zu gelangen, kann man das Gelblicht an Grünanteilen durch Filterung abreichern. Dies kann man zum Beispiel durch einen dichroitischen Spiegel erreichen, der das blaue Licht reflektiert, jedoch das auftreffende grüne Licht passieren lässt, so dass dieses nicht auf der Nutzseite des Konverters austritt.
-
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die vorstehend anhand der Figuren beschriebenen lediglich beispielhaften Ausführungsformen beschränkt ist, sondern in vielfältiger Weise im Rahmen des Gegenstandes der Patentansprüche variiert werden kann. Insbesondere können auch die Merkmale einzelner Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102008031256 A1 [0003]
- US 7356054 B2 [0005]
