DE102012201307A1

DE102012201307A1 - Konversionseinheit, laseranordnung, beleuchtungsanordnung, verfahren zum herstellen einer konversionseinheit und verfahren zum betreiben einer laseranordnung

Info

Publication number: DE102012201307A1
Application number: DE102012201307A
Authority: DE
Inventors: Jan Oliver Drumm
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2013-08-01
Also published as: WO2013113547A1

Abstract

In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird eine Konversionseinheit bereitgestellt die ein Konversionselement und ein erstes und ein zweites Kühlelement aufweist. Das Konversionselement hat eine erste Seite und eine von der ersten Seite abgewandte zweite Seite und ist dazu ausgebildet, ein Wellenlängenspektrum eines auf das Konversionselement auftreffenden Anregungsstrahls zu konvertieren und so Konversionsstrahlung zu erzeugen. Das erste Kühlelement ist mit körperlichem Kontakt zu dem Konversionselement an der ersten Seite des Konversionselements angeordnet. Das zweite Kühlelement ist mit körperlichem Kontakt zu dem Konversionselement an der zweiten Seite des Konversionselements angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Konversionseinheit, die ein Konversionselement aufweist, das eine erste Seite und eine von der ersten Seite abgewandte zweite Seite aufweist und das dazu ausgebildet ist, ein Wellenlängenspektrum eines auf das Konversionselement auftreffenden oder durch das Konversionselement hindurch tretenden Anregungsstrahls einer Strahlungsquelle (Pumplichtquelle) zumindest teilweise zu konvertieren. Ferner betrifft die Erfindung eine Laseranordnung mit einer Strahlungsquelle (Lichtquelle), die einen Anregungsstrahl erzeugt, und mit einer von der Strahlungsquelle in einem vorgegebenen Abstand angeordneten Konversionseinheit zum Konvertieren der Anregungsstrahlung des Anregungsstrahls bezüglich ihres Wellenlängenspektrums. Ferner betrifft die Erfindung eine Beleuchtungsanordnung, ein Verfahren zum Herstellen einer Konversionseinheit und ein Verfahren zum Betreiben einer Laseranordnung.
Heutzutage werden regelmäßig Projektoren (Beamer) eingesetzt, um Daten optisch darzustellen. Ein derartiger Projektor projiziert die darzustellenden Daten in Form von einzelnen stehenden und/oder bewegten Bildern auf beispielsweise eine Leinwand. Es ist bekannt, bei einem herkömmlichen Projektor die nötige Anregungsstrahlung mit Hilfe einer konventionellen Entladungslampe zu erzeugen, also beispielsweise einer Quecksilberdampf-Höchstdrucklampe. Neuerdings wird aber auch schon die LARP(Laser Activated Remote Phosphor)-Technologie eingesetzt. Bei dieser Technologie wird ein von der Strahlungsquelle beabstandet angeordnetes Konversionselement, das Leuchtstoff aufweist oder daraus besteht mit Anregungsstrahlung, insbesondere einem Anregungsstrahl (Pumpstrahl, Pumplaserstrahl) bestrahlt. Die Anregungsstrahlung des Anregungsstrahls wird vom Leuchtstoff absorbiert und in eine Konversionsstrahlung (Emissionsstrahlung) umgewandelt, deren Wellenlängen und somit spektralen Eigenschaften und/oder Farbe durch die Konversionseigenschaften des Leuchtstoffs bestimmt wird. Bei der Down-Konversion wird die Anregungsstrahlung der Strahlungsquelle durch den bestrahlten Leuchtstoff in Konversionsstrahlung mit längeren Wellenlängen als die Anregungsstrahlung konvertiert. Beispielsweise kann so mit Hilfe des Konversionselements blaue Anregungsstrahlung (blaues Laserlicht) in rote oder grüne Konversionsstrahlung (Konversionslicht, Beleuchtungslicht) konvertiert werden.
Die Anregungsstrahlung kann eine hohe Energiemenge in die Konversionseinheit einbringen, wodurch sich diese stark erwärmen kann. Dies kann zu einer Beschädigung des Konversionselements und/oder der darin enthaltenen Leuchtstoffe führen, die als Einzelleuchtstoff oder Leuchtstoffgemisch vorliegen können. Außerdem treten bei mangelnder Kühlung des Leuchtstoffs Konversionsverluste aufgrund Effizienzminderung bedingt durch thermisches Quenchen auf. Zum Vermeiden einer zu starken Erwärmung und zum Vermeiden der damit verbundenen möglichen Schäden des Konversionselements bzw. des Leuchtstoffs ist es bekannt, mehrere Konversionselemente auf einem Leuchtstoffrad (oft auch als Phosphorrad, Pumprad oder Farbrad bezeichnet) anzuordnen, das mit dem Anregungsstrahl bestrahlt wird, während es sich dreht. Aufgrund der Drehung werden nacheinander unterschiedliche Konversionselemente und/oder Bereiche der Konversionselemente beleuchtet und somit die eingebrachte Lichtenergie flächenmäßig verteilt.
Bisher ist konzeptbedingt ein Miniaturisierungsgrad bei der LARP-Technologie beschränkt, da die Anordnung, die die Strahlungsquelle (Pumplaser) und das Leuchtstoff-Rad aufweist, viel Bauraum benötigt. Für unterschiedliche Anwendungen ist jedoch ein kleiner Bauraum wünschenswert, beispielsweise im Bereich von Pico-Projektion, also bei klein dimensionierten mobilen Projektoren, und/oder von miniaturisierten Projektionseinheiten bei der sogenannten Embedded-Projektion, bei der die Projektionseinheit beispielsweise in ein Handy oder eine Kamera integriert ist. Wichtig dabei ist die thermische Anbindung des Konversionselements, um eine Überhitzung und Schaden zu vermeiden.
In verschiedenen Ausführungsformen werden eine Konversionseinheit, eine Laseranordnung und eine Beleuchtungsanordnung bereitgestellt, die beispielsweise kompakt und kostengünstig hergestellt werden können und/oder die das Erzeugen einer hohen Leuchtdichte ermöglichen.
In verschiedenen Ausführungsformen werden ein Verfahren zum Herstellen einer Konversionseinheit und ein Verfahren zum Betreiben einer Laseranordnung bereitgestellt, die eine kompakte und kostengünstige Bauweise der Laseranordnung ermöglichen und/oder durch die das Erzeugen einer hohen Leuchtdichte möglich ist.
In verschiedenen Ausführungsformen weist eine Konversionseinheit ein Konversionselement auf, das eine erste Seite und eine von der ersten Seite abgewandte zweite Seite aufweist. Das Konversionselement ist dazu ausgebildet, ein Wellenlängenspektrum von Anregungsstrahlung (Anregungslicht) eines auf das Konversionselement auftreffenden oder hindurch tretenden Anregungsstrahls zumindest teilweise zu konvertieren und so Konversionsstrahlung (Konversionslicht, Emissionslicht) zu erzeugen. Ein erstes Kühlelement ist mit körperlichem Kontakt zu dem Konversionselement an der ersten Seite des Konversionselements angeordnet. Ein zweites Kühlelement ist mit körperlichem Kontakt zu dem Konversionselement an der zweiten Seite des Konversionselements angeordnet.
Das erste Kühlelement ist zumindest für die Anregungsstrahlung des Anregungsstrahls und/oder für Licht einer Strahlungsquelle (Pumplichtquelle, Anregungsstrahlungsquelle) transparent, die den Anregungsstrahl erzeugt. Das zweite Kühlelement ist zumindest für die Konversionsstrahlung transparent. Darüber hinaus kann das zweite Kühlelement zumindest teilweise transparent für die Anregungsstrahlung sein. Die beiden Kühlelemente ermöglichen, in das Konversionselement eingebrachte Energie, insbesondere Wärmeenergie, effizient von dem Konversionselement weg zu führen. Dadurch ermöglicht die Konversionseinheit mit den beiden Kühlelementen einen relativ hohen Energieeintrag in das Konversionselement bei ausreichender Wärmeabfuhr und damit bei ausreichender Kühlung des Konversionselements. Dies ermöglicht, eine Beleuchtungsanordnung, die die Konversionseinheit nutzt, sehr kompakt und ohne bewegliche Teile auszubilden, beispielsweise ohne Leuchtstoff-Rad. Das Konversionselement kann die Konversionsstrahlung in Richtung der Anregungsstrahlung oder dieser entgegengesetzt emittieren.
Das erste und das zweite Kühlelement können beispielsweise außerhalb des Konversionselements mit einander verbunden sein. Die Verbindung kann beispielsweise mit Hilfe eines Verbindungsmittels hergestellt sein, das eine besonders gute Wärmekopplung zwischen beiden Kühlelementen sicherstellt. Beispielsweise können die beiden Kühlelemente mit einander verlötet sein. Dass die beiden Kühlelemente „außerhalb“ des Konversionselements miteinander verbunden sind, kann beispielsweise bedeuten, dass das Konversionselement zentriert zwischen den beiden Kühlelementen angeordnet ist, so dass es an zumindest je einem Rand der Kühlelemente nicht in körperlichem Kontakt mit den Kühlelementen ist, und dass die beiden Kühlelemente an eben jenem Rand mit einander verbunden sind. Beispielsweise kann zumindest eines der beiden Kühlelemente Saphir aufweisen. Dies kann zu einer besonders guten Wärmeabfuhr beitragen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Konversionseinheit eine erste Antireflexionsschicht aufweisen, die dazu ausgebildet ist, eine Reflexion des nicht konvertierten Anregungsstrahls zurück zu der Strahlungsquelle zu verringern oder zu verhindern. Alternativ oder zusätzlich kann die Konversionseinheit eine erste Reflexionsschicht aufweisen, die dazu ausgebildet ist, eine Reflexion der Konversionsstrahlung hin zu dem zweiten Kühlkörper zu verstärken. Alternativ oder zusätzlich kann die Konversionseinheit eine zweite Antireflexionsschicht aufweisen, die dazu ausgebildet ist, eine Reflexion der Konversionsstrahlung zurück zu dem Konversionselement zu verringern oder zu verhindern. Alternativ oder zusätzlich kann die Konversionseinheit eine zweite Reflexionsschicht aufweisen, die dazu ausgebildet ist, eine Reflexion von nicht konvertierter Anregungsstrahlung des Anregungsstrahls zurück zu dem Konversionselement zu verstärken.
Die erste Antireflexionsschicht kann bewirken, dass ein großer Anteil der Anregungsstrahlung zu dem Konversionselement gelangt, was zu einer effizienten Konvertierung und Nutzung der Anregungsstrahlung beiträgt. Die erste Reflexionsschicht kann bewirken, dass die Konversionsstrahlung nicht zurück durch das erste Kühlelement in Richtung zu der Strahlungsquelle tritt, was zu einer hohen Ausbeute an Konversionslicht beiträgt. Dies trägt zu einer effizienten Nutzung des Konversionselements und der darin enthaltenen Leuchtstoffe bei. Die zweite Antireflexionsschicht kann bewirken, dass ein möglichst großer Anteil der Konversionsstrahlung in Richtung weg von dem Konversionselement durch das zweite Kühlelement tritt, was zu einer hohen Ausbeute an Konversionsstrahlung beiträgt. Die zweite Reflexionsschicht kann eine Mischung von in Richtung weg von der Strahlungsquelle austretender Konversionsstrahlung und nicht konvertierter Anregungsstrahlung verringern oder verhindern und so zum Erzeugen von Konversionsstrahlung (Beleuchtungslicht) eines vorgegebenen Wellenlängenbereichs und/oder einer vorgegebenen Farbe beitragen, insbesondere Beleuchtungslicht der Farbe, die die Leuchtstoffe emittieren. Außerdem kann die zweite Reflexionsschicht dazu beitragen, dass bereits durch das Konversionselement getretene und nicht konvertierte Anregungsstrahlung zurück zu dem Konversionselement reflektiert wird, in dem sie dann konvertiert werden kann, was zu einer hohen Ausbeute an Konversionsstrahlung beitragen kann.
Zusätzlich können beispielsweise weitere erste oder zweite Reflexionsschichten oder Antireflexionsschichten vorgesehen sein und/oder es können eine der Reflexionsschichten und eine der Antireflexionsschichten in einer Schicht vereinigt sein. Ferner können weitere oder weniger, insbesondere nur einzelne der Schichten vorgesehen sein. Ferner kann beispielsweise zur gezielten Farbmischung vorgesehen sein, dass zumindest ein Teil von nicht konvertierter Anregungsstrahlung die Konversionseinheit in Richtung weg von der Strahlungsquelle verlässt und sich mit der Konversionsstrahlung vermischt, was beispielsweise dadurch erreicht werden kann, dass auf die zweite Reflexionsschicht verzichtet wird oder dass die zweite Reflexionsschicht zumindest teildurchlässig für die Anregungsstrahlung ausgebildet wird. Dies kann dazu beitragen, beispielsweise weißes Beleuchtungslicht durch Mischung von nicht konvertierter Anregungsstrahlung mit Konversionsstrahlung zu erzeugen. Die Antireflexionsschichten und die Reflexionsschichten können auch als optische Schichten bezeichnet werden. Die optischen Schichten tragen zu einer optimierten Nutzung des Konversionselements und damit zu einer optimierten Konvertierung der Anregungsstrahlung bei.
Die erste Antireflexionsschicht und/oder die erste Reflexionsschicht können beispielsweise in oder auf dem ersten Kühlelement oder an der ersten Seite des Konversionselements ausgebildet sein. Die zweite Antireflexionsschicht und/oder die zweite Reflexionsschicht können beispielsweise in oder auf dem zweiten Kühlelement oder an der zweiten Seite des Konversionselements ausgebildet sein.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können zumindest das erste oder das zweite Kühlelement einen oder mehrere Abstandshalter außerhalb des Konversionselements und/oder am Rand des entsprechenden Kühlelements aufweisen, über die ein körperlicher Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlelement hergestellt werden kann. Die Abstandshalter können zusätzlich oder alternativ zu der Lötverbindung eine Kopplung zwischen den beiden Kühlelementen darstellen und tragen so zu einer guten Wärmeabfuhr bei. In einem Herstellungsprozess kann beispielsweise das Konversionselement so ausgebildet werden, dass zunächst eine Dicke des Konversionselements größer ist als eine Höhe der Abstandshalter. Dann kann das Konversionselement auf einen der beiden Kühlkörper gelegt und von dem anderen Kühlkörper bedeckt werden. Dann werden die beiden Kühlkörper so zusammengepresst, dass sich das Konversionselement zwischen den Abstandshaltern der Kühlelemente ausdehnt, bis die beiden Kühlelemente an den Abstandshaltern miteinander in Kontakt kommen. Die feste Verbindung zwischen den beiden Kühlelementen und dem Konversionselement kann beispielsweise über das verpresste Konversionselement realisiert sein.
In verschiedenen Ausführungsformen weist eine Laseranordnung eine Strahlungsquelle auf, die einen Anregungsstrahl erzeugt. Außerdem weist die Laseranordnung eine von der Strahlungsquelle in einem vorgegebenen Abstand angeordnete Konversionseinheit auf. Die Konversionseinheit kann beispielsweise die vorstehend erläuterte Konversionseinheit sein. Die Konversionseinheit ist so angeordnet, dass das erste Kühlelement der Konversionseinheit in Strahlrichtung des Anregungsstrahls zwischen dem Konversionselement der Konversionseinheit und der Strahlungsquelle angeordnet ist und dass das Konversionselement die Anregungsstrahlung des Anregungsstrahls zumindest teilweise konvertiert und insbesondere sein Wellenlängenspektrum verändert (Down-Konversion hin zu längeren Wellenlängen oder auch als Up-Konversion hin zu kürzeren Wellenlängen).
Die Konversionseinheit mit den beiden Kühlelementen ermöglicht, dass bei ausreichender Wärmeabfuhr und damit bei ausreichender Kühlung des Konversionselements eine hohe Energiemenge in das Konversionselement eingebracht werden kann, und dass die Laseranordnung, die die Konversionseinheit nutzt, sehr kompakt und ohne bewegliche Teile ausgebildet werden kann. Außerdem kann auf einen Strahlteiler zum Trennen des Anregungsstrahls von der Konversionsstrahlung verzichtet werden. Ferner ermöglicht die Laseranordnung verglichen mit einer einzelnen Strahlungsquelle, beispielsweise einer einzelnen Laserdiode, eine höhere Leuchtdichte, eine kleinere emittierende Fläche bzw. Volumen und somit ein kleineres Etendue. Die Strahlungsquelle ist beispielsweise eine Laserstrahlungsquelle, beispielsweise eine Laserdiode, die beispielsweise blaues Laserlicht erzeugt. Alternativ dazu kann die Strahlungsquelle beispielsweise auch UV-Strahlung erzeugen. Das Konversionselement weist beispielsweise einen phosphoreszierenden oder fluoreszierenden Leuchtstoff auf, beispielsweise einen grün und/oder einen rot phosphoreszierenden Leuchtstoff.
Bei der Anregungsstrahlung (Pumplicht o. Pumpstrahlung) kann es sich beispielsweise auch um ultraviolette Strahlung oder sogar Korpuskularstrahlung handeln, etwa um einen Elektronen- oder Ionenstrahl, bevorzugt ist jedoch Laserstrahlung oder LED-Licht. Die Anregungsstrahlung ist nicht zwingend auf einen bestimmten Spektralbereich begrenzt; es kann beispielsweise im roten, grünen, blauen und/oder ultravioletten Spektralbereich gepumpt werden, etwa durch eine entsprechende Strahlungsquelle (Pumplichtquelle) oder auch eine Kombination mehrerer Strahlungsquellen. Generell können die Strahlungsquellen dazu ausgelegt sein, mit beispielsweise im Wesentlichen konstanter Leistung oder aber auch gepulst betrieben zu werden.
Der verwendete Leuchtstoff kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein Leuchtstoffgemisch sein, welches eine Mischung aus verschiedenen Leuchtstoffen aufweist, wodurch beispielsweise Licht erzeugt werden kann, welches mehrere unterschiedliche Farben vereint, wodurch beispielsweise weißes Konversionslicht erzeugt werden kann. Geeignete Leuchtstoffe sind im Stand der Technik bekannt.
Die Dicke des verwendeten Konversionselements mit den darin enthaltenen Leuchtstoffen bzw. dem darin enthaltenen Leuchtstoffgemisch kann je nach Anforderung an die Konversionsgüte im Sub-Millimeterbereich liegen, beispielsweise im Bereich von 20 bis 500 µm oder aber im Millimeterbereich.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Laseranordnung ein Substrat aufweisen, auf dem die Strahlungsquelle so angeordnet ist, dass eine Richtungskomponente des aus der Strahlungsquelle austretenden Anregungsstrahls parallel zu einer Oberfläche des Substrats ist. Außerdem kann die Laseranordnung ein Umlenkelement aufweisen, das den Anregungsstrahl so zu der Konversionseinheit ablenkt, dass eine Richtungskomponente des abgelenkten Anregungsstrahls senkrecht auf einer Oberfläche des Substrats steht. Dies kann zu einer besonders kompakten Bauweise der Laseranordnung beitragen. Das Umlenkelement kann beispielsweise ein Umlenkspiegel sein. Beispielsweise kann der abgelenkte Anregungsstrahl senkrecht auf dem nicht abgelenkten Anregungsstrahl stehen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Laseranordnung zwei oder mehr Strahlungsquellen aufweisen, die auf dem Substrat angeordnet sind und die je einen Anregungsstrahl erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann die Laseranordnung zwei oder mehr Konversionselemente aufweisen, die Anregungsstrahlung eines oder mehrerer auf sie auftreffender Anregungsstrahlen konvertieren.
Alternativ oder zusätzlich kann die Laseranordnung zwei oder mehr Umlenkelemente aufweisen, die auf dem Substrat angeordnet sind und die je einen der Anregungsstrahlen so zu den entsprechenden Konversionselementen umlenken, dass Konversionsstrahlung unterschiedlicher Konversionselement zumindest teilweise zu einander parallele Richtungskomponenten aufweist. Dies ermöglicht, eine Beleuchtungsanordnung (LARP-Lichtquelle) besonders kompakt auszubilden, bei der ohne bewegte Teile durch selektives Ansteuern der einzelnen Strahlungsquellen Beleuchtungslicht unterschiedlicher Farbe erzeugt werden kann.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können bei der Laseranordnung die Strahlungsquellen so angeordnet sein, dass deren nicht abgelenkte Anregungsstrahlen eine Sternform bilden. Dies kann zu einer besonders kompakten Bauweise der Laseranordnung beitragen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen können zwei oder mehr Konversionselemente zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlelement der einen Konversionseinheit angeordnet sein. Dies kann zu einer besonders kompakten Bauweise, beispielsweise bei mehreren Konversionselementen, beitragen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Laseranordnung zwei oder mehr Konversionseinheiten aufweisen, die jeweils ein erstes und ein zweites Kühlelement und je ein dazwischen angeordnetes Konversionselement aufweisen. Dies kann zu einer besonders guten Wärmeabfuhr beispielsweise bei mehreren Konversionselementen beitragen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Laseranordnung ein Gehäuse aufweisen, in dem die Strahlungsquelle und das Umlenkelement angeordnet sind. Das Gehäuse kann eine Öffnung aufweisen, die von der Konversionseinheit verschlossen ist. Beispielsweise ist das erste Kühlelement der Konversionseinheit an dem Gehäuse fest gelötet, was zu einem besonders guten Wärmeabtransport weg von dem Konversionselement beiträgt.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Laseranordnung eine erste Linse aufweisen, die den aus der Strahlungsquelle austretenden Anregungsstrahl fokussiert oder kollimiert. Ferner kann die Laseranordnung eine zweite Linse aufweisen, die die aus der Konversionseinheit austretende Konversionsstrahlung fokussiert oder kollimiert.
In verschiedenen Ausführungsformen weist eine Beleuchtungsanordnung ein, zwei oder mehr Laseranordnungen und eine optische Vereinigungseinheit zum Vereinigen der Konversionsstrahlung der Laseranordnungen auf. Dies kann einfach dazu beitragen, eine Beleuchtungsanordnung bereitzustellen, mit der das Erzeugen von Beleuchtungslicht mit unterschiedlichen Eigenschaften, beispielsweise unterschiedlicher Farbe und/oder unterschiedlicher Lichtleistung möglich ist. Die Laseranordnungen können beispielsweise die vorstehend erläuterte Laseranordnung aufweisen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Beleuchtungsanordnung eine weitere Laseranordnung ohne Konversionselement aufweisen, wobei nicht konvertierte Anregungsstrahlung (beispielsweise blaues Licht) der weiteren Laseranordnung mit der Konversionsstrahlung der Laseranordnungen vereinigt werden kann. Dies ermöglicht auf einfache Weise, die nicht konvertierte Anregungsstrahlung der Strahlungsquelle zum Darstellen der entsprechenden Farbe zu nutzen und/oder weißes Beleuchtungslicht zu erzeugen.
In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Herstellen einer Konversionseinheit bereitgestellt, bei dem ein Konversionselement, das eine erste Seite und eine von der ersten Seite abgewandte zweite Seite aufweist und das dazu ausgebildet ist, ein Wellenlängenspektrum von Anregungsstrahlung eines auf das Konversionselement treffenden Anregungsstrahls zu konvertieren, an der ersten Seite des Konversionselements in körperlichem Kontakt mit einem ersten Kühlelement gekoppelt wird, und bei dem das Konversionselement an der zweiten Seite des Konversionselements in körperlichem Kontakt mit einem zweiten Kühlelement gekoppelt wird. Dies ermöglicht, die Konversionseinheit auf besonders einfache Weise herzustellen. Die Konversionseinheit, das Konversionselement, das erste und/oder das zweite Kühlelement können beispielsweise die vorstehend beschriebene Konversionseinheit, das vorstehend beschriebene Konversionselement bzw. das erste bzw. das zweite vorstehend beschriebene Kühlelement sein.
Beim Herstellen der Laseranordnung kann die Konversionseinheit in einem letzten Herstellungsschritt auf das Gehäuse der Laseranordnung montiert werden. Dies kann zu einer kompakten und kostengünstigen Bauweise und zu einer hohen Flexibilität beitragen.
In verschiedenen Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Betreiben einer Laseranordnung bereitgestellt, bei dem mit Hilfe einer Strahlungsquelle ein Anregungsstrahl erzeugt wird. Die Laseranordnung kann beispielsweise die vorstehend erläuterte Laseranordnung sein. Der Anregungsstrahl wird auf eine von der Strahlungsquelle in einem vorgegebenen Abstand angeordnete Konversionseinheit gerichtet. Ein erstes Kühlelement der Konversionseinheit wird mit dem Anregungsstrahl durchleuchtet. Ein Konversionselement wird mit dem durch das erste Kühlelement hindurch tretenden Anregungsstrahl beleuchtet. Ein Wellenlängenspektrum von Anregungsstrahlung des Anregungsstrahls wird mit Hilfe des Konversionselements konvertiert, wodurch Konversionsstrahlung erzeugt wird. Die Konversionseinheit, das Konversionselement, das erste und/oder das zweite Kühlelemente können beispielsweise die vorstehend beschriebene Konversionseinheit, das vorstehend beschriebene Konversionselement und/oder das erste bzw. das zweite vorstehend beschriebene Kühlelement sein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen
1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Laseranordnung;
2 ein Ausführungsbeispiel einer Konversionseinheit der Laseranordnung gemäß 1;
3 eine beispielhafte Prinzip-Skizze der Konversionseinheit gemäß 2;
4 eine Draufsicht auf die Laseranordnung gemäß 1;
5 eine Draufsicht auf ein Gehäuse eines Ausführungsbeispiels einer Laseranordnung;
6 eine Draufsicht auf die Laseranordnung gemäß 5 ohne Gehäuse;
7 eine Schnittansicht durch ein Ausführungsbeispiel einer Laseranordnung;
8 eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer Laseranordnung;
9 ein Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungsanordnung;
10 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen einer Konversionseinheit;
11 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Laseranordnung.
In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser Erfindung bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsbeispiele gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsbeispielen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsbeispiele benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe "verbunden", "angeschlossen" sowie "gekoppelt" verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Laseranordnung 10. Die Laseranordnung 10 kann beispielsweise Bestandteil eines Projektors oder eines Beamers zum Erzeugen von Licht zum optischen Darstellen von Daten auf einer Leinwand sein. Ferner kann die Laseranordnung 10 für die Nutzlichterzeugung in Anwendungen wie der Film-, Daten- und Videoprojektion, im Entertainmentbereich, der Architekturbeleuchtung, der Allgemeinbeleuchtung, in der industriellen und medizinischen Beleuchtung, in Automobilscheinwerfern, oder in der medizinischen Diagnostik und Therapie verwendet werden. Die Laseranordnung 10 kann beispielsweise als Wafer-Level-Package bezeichnet werden.
Die Laseranordnung 10 weist ein Substrat 20 auf, das beispielsweise Silizium aufweist oder daraus gebildet ist. Das Substrat 20 ist beispielsweise ein Wafer oder ein Teil eines Wafers. Auf dem Substrat 20 ist eine Strahlungsquelle 22 (Lichtquelle, Laserlichtquelle) mit Hilfe eines Haltekörpers 24 befestigt. Die Strahlungsquelle 22 kann auch als Pumplichtquelle bezeichnet werden. Die Strahlungsquelle 22 ist elektrisch mit einem Kontakt 25 gekoppelt und kann über den Kontakt 25 mit Strom versorgt werden und/oder angesteuert werden. Die Strahlungsquelle 22 kann beispielsweise eine Laserstrahlungsquelle sein. Die Laserstrahlungsquelle kann beispielsweise eine Laserdiode sein. Die Laserdiode kann eine Single- oder Multi-Mode Laserdiode sein. Beispielsweise kann die Laserdiode eine blaues Laserlicht emittierende Laserdiode sein, die nachfolgend auch als blaue Laserdiode bezeichnet wird. Eine Leistung der Strahlungsquelle 22 kann beispielsweise 50 mW bis 5 W sein. Alternativ zu der blauen Laserdiode, deren Emissionswellenlängen beispielsweise im Spektralbereich von 400 bis 480 nm liegen kann, kann als Strahlungsquelle 22 eine UV-(Laser-)Strahlungsquelle verwendet werden, beispielsweise mit einer Emissionswellenlänge zwischen 300 nm und 400 nm. Der Haltekörper 24 kann beispielsweise einen Isolator aufweisen und/oder als Wärmesenke ausgebildet sein. Der Haltekörper 24 kann beispielsweise eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, beispielsweise 40 W/mK, und/oder Aluminium, Kupfer, Aluminiumnitrid, Aluminiumoxid und/oder Silizium aufweisen. Eine erste Linse 26 ist über eine erste Linsen-Halterung 28 an dem Substrat 20 befestigt. Die erste Linse 26 ist beispielsweise eine Fokussierlinse oder eine Kollimationslinse. Des Weiteren ist ein Umlenkelement, beispielsweise ein Umlenkspiegel 29 an dem Substrat 20 befestigt.
Die Laseranordnung 10 weist weiter ein Gehäuse 30 auf, das Seitenwände 32 und einen Deckel 34 aufweist. Die Seitenwände 32 können eine Höhe von beispielsweise 1 bis 10 mm, beispielsweise 5 mm aufweisen. Der Deckel 34 und/oder die Seitenwände 32 können beispielsweise Silizium aufweisen oder daraus gebildet sein und/oder eine Dicke von beispielsweise 2 bis 5 mm, beispielsweise von 3 mm aufweisen. Der Deckel 34 weist eine Öffnung 36 des Gehäuses 30 auf. Um die Öffnung 36 herum kann beispielsweise eine zweite Linsen-Halterung 38 angeordnet sein, die beispielsweise eine zweite Linse 39 hält. Die zweite Linsen-Halterung 38 kann beispielsweise Kunststoff aufweisen oder daraus gebildet sein. Die zweite Linse 39 kann beispielsweise eine Fokussierlinse oder eine Kollimationslinse sein. Zwischen der Öffnung 36, dem Deckel 34 und der zweiten Linse 39 ist eine Konversionseinheit 40 angeordnet. Beispielsweise können die Konversionseinheit 40 und/oder die zweite Linsen-Halterung 38 in Verbindung mit der zweiten Linse 39 das Gehäuse 30 gas- oder luftdicht abschließen, so dass innerhalb der Laseranordnung 10 eine von der Umgebung unabhängige Atmosphäre geschaffen werden kann. Beispielsweise kann in der Laseranordnung 10 ein Unterdruck erzeugt werden und/oder in dem Gehäuse 30 der Laseranordnung 10 kann ein vorgegebenes Gas angereichert werden. Die vorstehend genannten Elemente der Laseranordnung 10, die innerhalb des Gehäuses 30 angeordnet sind, sind beispielsweise jeweils selbst möglichst ausgasungsfrei ausgebildet und/oder möglichst ausgasungsfrei befestigt, beispielsweise gelötet oder geklebt. Das Substrat 20 ist an seiner von dem Gehäuse 30 abgewandten Seite beispielsweise mit einer Metallplatine 60 und/oder Wärmesenke gekoppelt.
Die Strahlungsquelle 22 erzeugt Anregungsstrahlung, insbesondere einen Anregungsstrahl 50, beispielsweise einen Laserstrahl, beispielsweise einen blauen Laserstrahl oder einen UV-Laserstrahl. Der Anregungsstrahl 50 wird von der Strahlungsquelle 22 so emittiert, dass die Richtung, in die der Anregungsstrahl 50 emittiert wird, zumindest eine Richtungskomponente hat, die parallel zu einer Oberfläche des Substrats 20 ist. Beispielsweise liegt der Anregungsstrahl 50 in einer Ebene, die parallel zu der Oberfläche des Substrats 20 ist. Der Anregungsstrahl 50 wird mit Hilfe der ersten Linse 26 auf den Umlenkspiegel 29 fokussiert. Alternativ dazu kann der Anregungsstrahl 50 mit Hilfe der ersten Linse 26 kollimiert werden. Der Umlenkspiegel 29 lenkt den Anregungsstrahl 50 in Richtung weg von der Oberfläche des Substrats 20, so dass ein abgelenkter Anregungsstrahl 52 hin zu der Konversionseinheit 40 gelenkt wird, wobei eine Richtungskomponente des abgelenkten Anregungsstrahls 52 beispielsweise senkrecht auf der Oberfläche des Substrats 20 steht. Der abgelenkte Anregungsstrahl 52 kann beispielsweise auf Höhe der Konversionseinheit 40 einen Strahldurchmesser haben, der einen möglichst großen Bereich der Konversionseinheit 40 abdeckt. Der Strahldurchmesser kann beispielsweise bis zu 650 µm betragen. Falls eine Querschnittsfläche des abgelenkten Anregungsstrahls 52 vollständig innerhalb der Konversionseinheit 40 liegt, so ist der Strahldurchmesser repräsentativ für einen Konversionsradius. Die Konversionseinheit 40 konvertiert die Anregungsstrahlung des abgelenkten Anregungsstrahls 52 bezüglich ihrer Wellenlänge, so dass eine Konversionsstrahlung 54 entsteht, die unter anderem aus der Konversionseinheit 40 in Richtung hin zu der zweiten Linse 39 austritt und die zweite Linse 39 durchdringt. Beispielsweise weist der abgelenkte nicht konvertierte Anregungsstrahl 52 blaues Licht auf und die Konversionsstrahlung 54 weist rotes, grünes, gelbes oder weißes Licht auf.
2 zeigt eine Detailansicht der Konversionseinheit 40 gemäß 1. Die Konversionseinheit 40 weist ein Konversionselement 44 auf, das eine erste Seite aufweist, an der ein erstes Kühlelement 42 angeordnet ist. An einer der ersten Seite gegenüber liegenden zweiten Seite des Konversionselementes 44 ist ein zweites Kühlelement 46 angeordnet. In Strahlrichtung des abgelenkten Anregungsstrahls 52 sind nacheinander zuerst das erste Kühlelement 42, dann das Konversionselement 44 und dann das zweite Kühlelement 46 angeordnet. Das erste Kühlelement 42 ist an dem Deckel 34 über Haltemittel 49 befestigt. Das zweite Kühlelement 46 ist an dem ersten Kühlelement 42 über Abstandshalter 48 befestigt. Das Konversionselement 44 kann beispielsweise ohne Bindemittel und/oder beispielsweise als Plättchen ausgebildet sein und auf dem ersten und/oder zweiten Kühlelement 42, 46 aufgebracht sein.
Die Abstandshalter 48 können um die Öffnung 36 herum, beispielsweise vollständig um die Öffnung 36 herum verlaufen. Die Abstandshalter 48 können Einzelkörper sein, die beispielsweise mit Hilfe von Lot und/oder Klebstoff an dem ersten oder zweiten Kühlelement 42, 46 befestigt sind. Alternativ dazu können die Abstandshalter 48 einstückig mit dem ersten oder zweiten Kühlkörper 42, 46 ausgebildet sein und einen Teil von diesen bilden. Alternativ dazu können die Abstandshalter 48 Lotmaterial oder Klebstoff aufweisen oder daraus bestehen. Eine Höhe der Abstandshalter 48 kann beispielsweise einer Dicke des Konversionselements 44 entsprechen oder auch geringer sein. Beispielsweise können die Abstandshalter 48 vor einer Montage der Konversionseinheit 40 eine Höhe haben, die geringer ist als die Dicke des Konversionselements 44, wobei dann bei der Montage der Konversionseinheit 40 das Konversionselement 44 zusammen gedrückt wird und sich seitlich ausdehnt, bis die Abstandshalter 48 in Kontakt mit dem ersten Kühlkörper 42 bzw. dem zweiten Kühlkörper 46 sind. Die Haltemittel 49 können entsprechend den Abstandshaltern 48 ausgebildet und/oder angeordnet sein. Beispielsweise können die Haltemittel 49 Lot und/oder Klebstoff aufweisen oder daraus gebildet sein, mit Hilfe von Lotmaterial und/oder Klebstoff an dem ersten Kühlkörper 42 und/oder dem Deckel 34 befestigt sein oder einstückig mit dem Deckel 34 oder dem ersten Kühlelement 42 ausgebildet sein. Als Lotmaterial kann beispielsweise AuSn verwendet werden.
Das Konversionselement 44 weist einen oder mehrere Leuchtstoffe auf. Das Konversionselement 44 kann aus den Leuchtstoffen bestehen, die Leuchtstoffe können jedoch auch in ein Trägermaterial eingebettet sein. Ferner können die Leuchtstoffe Bestandteil eines Leuchtstoffgemischs sein. Die Leuchtstoffe können beispielsweise phosphoriszierende und/oder fluoriszierende Stoffe aufweisen. Beispielsweise kann das Konversionselement 44 Phosphor aufweisen. Die Leuchtstoffe werden mit Hilfe des abgelenkten Anregungsstrahls 52 energetisch angeregt. Beim nachfolgenden energetischen Abregen emittieren die Leuchtstoffe Licht einer oder mehrerer vorgegebener Farben. Es findet somit eine Konversion der Anregungsstrahlung statt, wodurch die Konversionsstrahlung 54 erzeugt wird. Bei der Konversion werden die Wellenlängen der Anregungsstrahlung zu kürzeren oder längeren Wellenlängen verschoben. Die Farben können Einzelfarben oder Mischfarben sein. Die Einzelfarben können beispielsweise grünes, rotes oder gelbes Licht aufweisen und/oder die Mischfarben können beispielsweise aus grünem, rotem und/oder gelbem Licht gemischt sein und/oder beispielsweise weißes Licht aufweisen. Zusätzlich kann blaues Licht bereitgestellt werden, beispielsweise indem die Konversionseinheit 40 so ausgebildet wird, dass zumindest teilweise nicht konvertierte Anregungsstrahlung die Laseranordnung 10 als nutzbares Beleuchtungslicht verlässt. Die Einzel- oder Mischfarben können mit Hilfe des Konversionselements 44 und des abgelenkten Anregungsstrahls 52 dargestellt werden. Beispielsweise können grün, rot und gelb mit Hilfe von blauem Laserlicht dargestellt werden. Bei Verwendung des UV-Laserlichts als Pumplicht können die Leuchtstoffe auch so gewählt werden, dass sie rot, grün, blau und gelb darstellen.
Die beiden Kühlelemente 42, 46 sind vorzugsweise mit körperlichem Kontakt zu dem Konversionselement 44 angeordnet. Der körperliche Kontakt bewirkt eine besonders gute Wärmekoppelung des Konversionselements 44 an die beiden Kühlkörper 42, 46. Der gute thermische Kontakt trägt zu einem schnellen Abführen von in dem Konversionselement 44 entstehender Wärme hin zu den beiden Kühlelementen 42, 46 bei. Die Kühlelemente 42, 46 können beispielsweise Saphir aufweisen oder daraus gebildet sein. Insbesondere können die beiden Kühlelemente 42, 46 Saphir-Plättchen sein. Zumindest eines der beiden Kühlelemente 42, 46 kann die Abstandshalter 48 aufweisen. Des Weiteren kann optional das erste Kühlelement 42 die Haltemittel 49 aufweisen. Das erste Kühlelement 42 ist zumindest teilweise für den Anregungsstrahl 50 und/oder für das Licht der Strahlungsquelle 22 transparent. Das zweite Kühlelement 26 ist zumindest teilweise für die Konversionsstrahlung transparent. Optional kann das zweite Kühlelement 26 für nicht konvertierte Anregungsstrahlung transparent sein.
3 zeigt eine beispielhafte Prinzipskizze der Konversionseinheit 40. Die Konversionseinheit 40 kann eine oder mehrere optisch wirksame Schichten und/oder Beschichtungen aufweisen. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann beispielsweise eine erste optische Schicht 41 auf einer Oberfläche des ersten Kühlelements 42 ausgebildet sein, die von dem Konversionselement 44 abgewandt ist. Die erste optische Schicht 41 kann beispielsweise eine erste Antireflexionsschicht sein, die verhindert, dass der nicht konvertierte abgelenkte Anregungsstrahl 52 zurück zu dem Umlenkspiegel 29 reflektiert wird, bevor er die Leuchtstoffe in dem Konversionselement 44 anregt. Dies kann dazu beitragen, eine Effizienz der Konversionseinheit 40 zu erhöhen. Alternativ oder zusätzlich kann die erste optische Schicht 41 auch als eine erste Reflexionsschicht ausgebildet sein, die dazu dient, Konversionsstrahlung 57, die in Richtung hin zu der ersten optischen Schicht 41 abgestrahlt wird, in Richtung hin zu dem zweiten Kühlelement 46 zu reflektieren, wodurch ebenfalls die Effizienz der Konversionseinheit 40 erhöht werden kann.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann alternativ oder zusätzlich beispielsweise eine zweite optische Schicht 43 auf der dem ersten Kühlelement 42 zugewandten ersten Seite des Konversionselements 44 oder auf der dem Konversionselement 44 zugewandten Seite des ersten Kühlelements 42 ausgebildet sein. Die zweite optische Schicht 43 kann beispielsweise zusätzlich oder alternativ zu der ersten optischen Schicht 41 als eine erste Antireflexionsschicht ausgebildet sein, die verhindert, dass Anregungsstrahlung, insbesondere der abgelenkte Anregungsstrahl 52 zurück zu dem Umlenkspiegel 29 reflektiert wird, bevor er die Leuchtstoffe in dem Konversionselement 44 anregt. Dies kann dazu beitragen, eine Effizienz der Konversionseinheit 40 zu erhöhen. Die zweite optische Schicht 43 kann alternativ oder zusätzlich zu der ersten optischen Schicht 41 als eine erste Reflexionsschicht ausgebildet sein, die die Konversionsstrahlung 57, die in Richtung hin zu dem ersten Kühlelement 42 emittiert wird, oder die Konversionsstrahlung 58, die in dem zweiten Kühlelement 46 in Richtung hin zu dem ersten Kühlelement 42 reflektiert wird, in Richtung hin zu dem zweiten Kühlelement 46 reflektiert. Dies kann dazu beitragen, eine Effizienz der Konversionseinheit 40 zu erhöhen.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann zusätzlich oder alternativ beispielsweise eine dritte optische Schicht 45 auf der dem zweiten Kühlelement 46 zugewandten zweiten Seite des Konversionselements 44 oder auf der dem Konversionselement 44 zugewandten Seite des zweiten Kühlelements 46 ausgebildet sein. Die dritte optische Schicht 45 kann beispielsweise als eine zweite Reflexionsschicht ausgebildet sein, die bewirkt, dass Anregungsstrahlung, die durch das Konversionselement 44 hindurch getreten ist, ohne konvertiert zu werden, als nicht konvertierte Anregungsstrahlung 55 zurück zu dem Konversionselement 44 reflektiert wird. Dies kann dazu beitragen, dass möglichst wenig oder gar keine nicht konvertierte Anregungsstrahlung 56 die Laseranordnung 10 verlässt, wodurch eine Mischung von Konversionsstrahlung 54 und nicht konvertierter Anregungsstrahlung 56 außerhalb der Konversionseinheit 40 verhindert wird. Alternativ oder zusätzlich kann dies dazu beitragen, dass reflektierte nicht konvertierte Anregungsstrahlung 55 in dem Konversionselement 44 konvertiert wird, wodurch eine Effizienz der Konversionseinheit 40 erhöht wird. Alternativ oder zusätzlich kann die dritte optische Schicht 45 als zweite Antireflexionsschicht ausgebildet sein, die bewirkt, dass möglichst wenig oder gar keine Konversionsstrahlung 54 zurück in Richtung hin zu dem ersten Kühlelement 42 reflektiert wird, wodurch die Effizienz der Konversionseinheit 40 erhöht werden kann.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann zusätzlich oder alternativ beispielsweise eine vierte optische Schicht 47 auf einer von dem Konversionselement 44 abgewandten Seite des zweiten Kühlelements 46 ausgebildet sein. Die vierte optische Schicht 47 kann zusätzlich oder alternativ zu der dritten optischen Schicht 45 beispielsweise als zweite Reflexionsschicht ausgebildet sein, die bewirkt, dass Anregungsstrahlung, die durch das Konversionselement 44 hindurch getreten ist, ohne konvertiert zu werden, als nicht konvertierte Anregungsstrahlung 55 zurück hin zu dem Konversionselement 44 reflektiert wird, wo sie dann konvertiert werden kann. Dies kann dazu beitragen, dass möglichst wenig oder gar keine nicht konvertierte Anregungsstrahlung die Laseranordnung 10 verlässt, wodurch eine Mischung von Konversionsstrahlung 54 und aus dem Konversionselement 44 austretender nicht konvertierter Anregungsstrahlung 56 verhindert wird und wodurch ein Wirkungsgrad der Konversionseinheit 40 erhöht wird gegenüber einer Konversionseinheit 40 ohne entsprechende zweite Reflexionsschicht. Alternativ oder zusätzlich kann dies dazu beitragen, dass reflektierte nicht konvertierte Anregungsstrahlung 55 in dem Konversionselement 44 konvertiert wird, wodurch eine Effizienz der Konversionseinheit 40 erhöht wird. Alternativ oder zusätzlich kann die vierte optische Schicht 47 als zweite Antireflexionsschicht ausgebildet sein, die bewirkt, dass möglichst wenig oder gar keine Konversionsstrahlung 54 zurück in Richtung hin zu dem ersten Kühlelement 42 reflektiert wird, wodurch die Effizienz der Konversionseinheit 40 erhöht werden kann.
Beispielsweise können die erste und/oder die zweite optische Schicht 41, 43 als erste Antireflexionsschicht zum Verhindern der Reflexion der nicht konvertierten blauen Anregungsstrahlung und/oder als erste Reflexionsschicht zum Reflektieren von roter Konversionsstrahlung ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können beispielsweise die dritte und/oder die vierte optische Schicht 45, 47 als zweite Reflexionsschicht zum Reflektieren von durch das Konversionselement 44 hindurch getretener und nicht konvertierter blauer Anregungsstrahlung und/oder als zweite Antireflexionsschicht zum Verhindern der Reflexion von roter Konversionsstrahlung ausgebildet sein. Alternativ dazu kann auf eine oder mehrere der optischen Schichten 41, 43, 45, 47 verzichtet werden. Beispielsweise kann auf die zweite Reflexionsschicht verzichtet werden oder die zweite Reflexionsschicht kann teildurchlässig für die nicht konvertierte Anregungsstrahlung 56 ausgebildet sein, wodurch gezielt eine Mischung von nicht konvertierter Anregungsstrahlung 56 mit der Konversionsstrahlung 54 erreicht wird. Dies kann dazu beitragen weißes Beleuchtungslicht durch die gezielte Mischung von nicht konvertierter Anregungsstrahlung 56 und Konversionsstrahlung 54 zu erhalten. Außerdem kann dies beispielsweise vorteilhaft sein, bei der Verwendung eines UV-Lasers als Strahlungsquelle 22.
4 zeigt eine Draufsicht auf die Laseranordnung 10 gemäß 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Linse 39 beispielsweise kreisförmig ausgebildet. Die Konversionseinheit 40 und das Konversionselement 44 sind in Draufsicht beispielsweise quadratisch ausgebildet.
5 zeigt eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des Gehäuses 30 der Laseranordnung 10, bei dem die Laseranordnung 10 mehrere Konversionseinheiten 40 aufweist. Beispielsweise kann die Laseranordnung 10 eine erste Konversionseinheit 40a, eine zweite Konversionseinheit 40b und/oder eine dritte Konversionseinheit 40c aufweisen. Jede der Konversionseinheiten 40a, 40b 40c weist ein Konversionselement 44 auf, beispielsweise weist die erste Konversionseinheit 40a ein erstes Konversionselement 44a, die zweite Konversionseinheit 40b ein zweites Konversionselement 44b und/oder die dritte Konversionseinheit 40c ein drittes Konversionselement 44c auf. Darüber hinaus kann die Laseranordnung 10 eine zweite Linse 39a der ersten Konversionseinheit 40a, eine zweite Linse 39b der zweiten Konversionseinheit 40b und/oder eine zweite Linse 39c der dritten Konversionseinheit 40c aufweisen. Alternativ dazu kann das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel der Laseranordnung 10 lediglich eine Konversionseinheit 40 aufweisen, die mehrere Konversionselemente 44a, 44b, 44c aufweist.
Die unterschiedlichen Konversionselemente 44a, 44b, 44c können beispielsweise unterschiedliche Leuchtstoffe oder Leuchtstoffgemische aufweisen, so dass mit den unterschiedlichen Konversionselementen 44a, 44b, 44c entsprechend Licht unterschiedlicher Farben darstellbar ist. Beispielsweise kann mit dem ersten Konversionselement 44a rotes Licht und/oder mit dem zweiten Konversionselement 44b grünes Licht erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich kann auf eine der Konversionseinheiten 40a, 40b, 40c oder auf eines der Konversionselemente 44a, 44b, 44c verzichtet werden, so dass nicht konvertierte Anregungsstrahlung als Beleuchtungslicht nutzbar ist. Beispielsweise kann bei der dritten Konversionseinheit 40c auf das dritte Konversionselement 44c verzichtet werden, so dass bei der Verwendung der blauen Laserdiode als Strahlungsquelle 22 blaues Licht die Laseranordnung 10 durch die dritte Konversionseinheit 40c verlässt. Mit Hilfe des blauen Lichts in Verbindung mit dem roten Licht aus der ersten Konversionseinheit 40a und dem grünen Licht aus der zweiten Konversionseinheit 40b kann dann weißes Beleuchtungslicht erzeugt werden.
6 zeigt die Laseranordnung 10 gemäß 5 in Draufsicht ohne Gehäuse 30. Die Laseranordnung 10 weist korrespondierend zu der ersten Konversionseinheit 40 eine erste Lasereinheit 61, korrespondierend zu der zweiten Konversionseinheit 40b eine zweite Lasereinheit 62 und korrespondierend zu der dritten Konversionseinheit 40c eine dritte Lasereinheit 63 auf. Die Lasereinheiten 61, 62, 63 sind auf dem Substrat 20 angeordnet. Die erste Lasereinheit 61 weist eine erste Strahlungsquelle 22a auf einem ersten Haltekörper 24a, eine erste Linse 26a der ersten Lasereinheit 61 auf einer ersten Linsen-Halterung 28a der ersten Lasereinheit 61 und einen ersten Umlenkspiegel 29a auf. Die erste Strahlungsquelle 22a erzeugt einen ersten Anregungsstrahl 50a, der von der ersten Linse 26a der ersten Lasereinheit 22a auf den ersten Umlenkspiegel 29a fokussiert wird und von dem ersten Umlenkspiegel 29a in Richtung hin zu der ersten Konversionseinheit 40a abgelenkt wird.
Die zweite Lasereinheit 62 weist eine zweite Strahlungsquelle 22b auf einem zweiten Haltekörper 24b, eine erste Linse 26b der zweiten Lasereinheit 62 auf einer ersten Linsen-Halterung 28b der zweiten Lasereinheit 62 und einen zweiten Umlenkspiegel 29b auf. Die zweite Strahlungsquelle 22b erzeugt einen zweiten Anregungsstrahl 50b, der von der ersten Linse 26b der zweiten Lasereinheit 22b auf den zweiten Umlenkspiegel 29b fokussiert wird und von dem zweiten Umlenkspiegel 29b in Richtung hin zu der zweiten Konversionseinheit 40b abgelenkt wird.
Die dritte Lasereinheit 63 weist eine dritte Strahlungsquelle 22c auf einem dritten Haltekörper 24c, eine erste Linse 26c der dritten Lasereinheit 63 auf einer ersten Linsen-Halterung 28c der dritten Lasereinheit 63 und einen dritten Umlenkspiegel 29c auf. Die dritte Strahlungsquelle 22c erzeugt einen dritten Anregungsstrahl 50c, der von der ersten Linse 26c der dritten Lasereinheit 22c auf den dritten Umlenkspiegel 29c fokussiert wird und von dem dritten Umlenkspiegel 29c in Richtung hin zu der dritten Konversionseinheit 40c abgelenkt wird.
Die Umlenkspiegel 29a, 29b, 29c sind beispielsweise so ausgebildet und angeordnet, dass die entsprechenden abgelenkten Anregungsstrahlen 52 im Wesentlichen parallel zueinander sind, wobei der erste Anregungsstrahl 50a nach Ablenkung auf die erste Konversionseinheit 40a trifft, der zweite Anregungsstrahl 50b nach Ablenkung auf die zweite Konversionseinheit 40b trifft und der dritte Anregungsstrahl 50c nach Ablenkung auf die dritte Konversionseinheit 40c trifft.
7 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Laseranordnung 10, bei dem die Umlenkspiegel 29a, 29b so ausgebildet und angeordnet sind, dass ein erster abgelenkter Anregungsstrahl 52a und ein zweiter abgelenkter Anregungsstrahl 52b auf eine einzelne Konversionseinheit 40 gelenkt werden. Die beiden abgelenkten Anregungsstrahlen 52a, 52b können innerhalb der Konversionseinheit 40 auf die gleichen oder auf unterschiedliche Konversionselemente 44 gerichtet sein. Die derart gebündelten Anregungsstrahlen 52a, 52b können dazu beitragen, eine Lichtleistung der Laseranordnung 10 zu erhöhen. Ferner zeigt 7 einen ersten Kontakt 25a, der mit der ersten Strahlungsquelle 22a elektrisch gekoppelt ist, und einen zweiten Kontakt 25b, der mit der zweiten Strahlungsquelle 42b elektrisch gekoppelt ist. Alternativ dazu können die Umlenkspiegel 29a, 29b so ausgebildet und angeordnet sein, dass der erste abgelenkte Anregungsstrahl 52a und der zweite abgelenkte Anregungsstrahl 52b auf mehrere Konversionseinheiten 40a, 40b, 40c gelenkt werden.
8 zeigt eine Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel der Laseranordnung 10, beispielsweise auf die Laseranordnung 10 gemäß 7 ohne Gehäuse 30. Die Laseranordnung 10 weist zusätzlich zu der ersten, zweiten und dritten Lasereinheit 61, 62, 63 eine vierte Lasereinheit 64, eine fünfte Lasereinheit 65, eine sechste Lasereinheit 66, eine siebte Lasereinheit 67 und/oder eine achte Lasereinheit 68 auf. Die vierte, fünfte, sechste, siebte und/oder achte Lasereinheit 64, 65, 66, 67, 68 können beispielsweise der ersten, zweiten und dritten Lasereinheit 61, 62, 63 entsprechend ausgebildet sein. Die Lasereinheiten 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68 können beispielsweise sternförmig angeordnet sein. In anderen Worten können Anregungsstrahlen 50, die von den Lasereinheiten 61 bis 68 erzeugt werden, einen Stern bilden, dessen Mittelpunkt in Draufsicht beispielsweise im Zentrum der zweiten Linse 39 liegt. Die sternförmige Anordnung der Lasereinheiten 61 bis 68 kann dazu beitragen, dass mit Hilfe der Laseranordnung 10 eine besonders hohe Leuchtdichte und/oder Lichtleistung bei geringem Platzbedarf realisierbar sind.
9 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Beleuchtungsanordnung, die mehrere Laseranordnungen 10, beispielsweise eine erste Laseranordnung 10a, eine zweite Laseranordnung 10b und/oder eine dritte Laseranordnung 10c aufweist. Die erste Laseranordnung 10a erzeugt eine erste Konversionsstrahlung 54a, die zweite Laseranordnung 10b erzeugt einen zweite Konversionsstrahlung 54b und/oder die dritte Laseranordnung 10c erzeugt eine dritte Konversionsstrahlung 54c. Alternativ dazu kann mit Hilfe der dritten Laseranordnung 10 ein dritter nicht konvertierter Anregungsstrahl 54c erzeugt werden. Eine Vereinigungseinheit 105 vereinigt die Strahlen der Konversionsstrahlung 54a, 54b, 54c bzw. den nicht konvertierten dritten Anregungsstrahl 54c zu einem vereinigten Beleuchtungsstrahl 54d (Beleuchtungslichtstrahl). Der vereinigte Beleuchtungsstrahl 54d kann beispielsweise weißes (Beleuchtungs-)Licht aufweisen. Alternativ dazu kann die Beleuchtungsanordnung weitere oder weniger Laseranordnungen 10 aufweisen. Die Beleuchtungsanordnung ermöglicht auf einfache Weise, Beleuchtungsstrahlen (Beleuchtungslicht) unterschiedlicher Farbe und/oder unterschiedlicher Strahlungsleistungen miteinander zu kombinieren.
10 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen einer Konversionseinheit. Die Konversionseinheit kann beispielsweise eine der vorstehend erläuterten Konversionseinheiten 40 sein.
In einem Schritt S10 wird ein Konversionselement bereitgestellt, beispielsweise das Konversionselement 44. Gegebenenfalls können in dem Schritt S10 die zweite optische Schicht 43 und/oder die dritte optische Schicht 45 auf das Konversionselement 44 aufgebracht werden. Das Konversionselement 44 kann beispielsweise in Form eines Plättchens bereitgestellt werden. Ferner kann eine Dicke des Plättchens größer sein als eine Höhe der Abstandshalter 48.
In einem Schritt S12 kann ein erstes Kühlelement bereitgestellt werden, beispielsweise das erste Kühlelement 42. Gegebenenfalls können in dem Schritt S12 die erste und/oder die zweite optische Schicht 41, 43 auf das erste Kühlelement 42 aufgebracht werden. Optional kann das erste Kühlelement 42 zumindest teilweise die Abstandshalter 48 aufweisen, deren Höhe beispielsweise kleiner sein kann als die Dicke des Konversionselements 44.
In einem Schritt S14 wird das erste Kühlelement 42 mit körperlichem Kontakt an dem Konversionselement 44 befestigt, beispielsweise mittels Anlöten, Ankleben und/oder Aufsprengen. Der Schritt S14 kann beispielsweise in einem Vakuum oder bei Unterdruck durchgeführt werden, beispielsweise um Lufteinschlüsse zu vermeiden.
In einem Schritt S16 kann ein zweites Kühlelement bereitgestellt werden, beispielsweise das zweite Kühlelement 46. Gegebenenfalls können in dem Schritt S16 die dritte und/oder die vierte optische Schicht 45, 47 auf das zweite Kühlelement 46 aufgebracht werden. Optional kann das zweite Kühlelement 42 zumindest teilweise die Abstandshalter 48 aufweisen, deren Höhe beispielsweise kleiner sein kann als die Dicke des Konversionselements 44.
In einem Schritt S18 wird das zweite Kühlelement 46 außerhalb des Konversionselements 44 mit körperlichem Kontakt zu dem Konversionselement 44 an dem ersten Kühlelement 42 befestigt, beispielsweise mittels ankleben, anlöten und/oder aufsprengen. Falls die Höhe der Abstandshalter 48 geringer ist als die Dicke des Konversionselements 44, so wird das Konversionselement 44 zwischen den Kühlelementen 42, 46 eingepresst, wodurch sich das Konversionselement 44 seitlich ausdehnt. Der Schritt S16 kann beispielsweise in einem Vakuum oder bei Unterdruck durchgeführt werden, beispielsweise um Lufteinschlüsse zu vermeiden.
11 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer Laseranordnung, beispielsweise einer der vorstehend erläuterten Laseranordnungen 10.
In einem Schritt S20 wird ein Anregungsstrahl erzeugt, beispielsweise der Anregungsstrahl 50.
In einem Schritt S22 wird ein erstes Kühlelement, beispielsweise das erste Kühlelement 42, mit Hilfe des Anregungsstrahls 50, 52 durchleuchtet.
In einem Schritt S24 wird die Anregungsstrahlung des Anregungsstrahls 50 bezüglich ihrer Wellenlänge konvertiert, wodurch Konversionsstrahlung 54 erzeugt wird, beispielsweise mit Hilfe des Konversionselements 44.
In einem Schritt S26 wird ein zweites Kühlelement, beispielsweise das zweite Kühlelement 46, von der Konversionsstrahlung 54 durchleuchtet. Die durch das zweite Kühlelement 46 hindurch tretende Konversionsstrahlung 54 kann als Beleuchtungsstrahlung oder als Beleuchtungslicht der Laseranordnung 10 für unterschiedliche Anwendungen genutzt werden.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise kann eine Beleuchtungsanordnung mehr oder weniger Laseranordnungen 10 aufweisen. Die Laseranordnungen 10 können beispielsweise mehr oder weniger Lasereinheiten 61, 62 aufweisen. Jede Konversionseinheit 40 kann mehr oder weniger Konversionselemente 44 aufweisen und es können zusätzliche oder weniger Farben mit Hilfe der Konversionselemente 44 erzeugt werden.
Gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen ist es also somit möglich, durch geeignete Wellenlängenumwandlung (Konversion) der Anregungsstrahlung mittels der Leuchtstoffe sowohl einfarbiges Emissionslicht (Konversionsstrahlung) als auch weißes, also breitbandiges, Emissionslicht zu erzeugen, wobei beispielsweise eine vorgegebene Farbtemperatur des Emissionslichts und/oder Emissionslicht mit vorgegebenen Farbkoordinaten abhängig von den verwendeten Leuchtstoffen und/oder der verwendeten Anregungsstrahlung erzeugt werden kann.

Claims

Konversionseinheit (40), die aufweist • ein Konversionselement (44), das eine erste Seite und eine von der ersten Seite abgewandte zweite Seite aufweist und das dazu ausgebildet ist, ein Wellenlängenspektrum eines Anregungsstrahls (50, 52) zumindest teilweise zu konvertieren und so Konversionsstrahlung (54) zu erzeugen, • ein erstes Kühlelement (42), das mit körperlichem Kontakt zu dem Konversionselement (44) an der ersten Seite des Konversionselements (44) angeordnet ist, und • ein zweites Kühlelement (46), das mit körperlichem Kontakt zu dem Konversionselement (44) an der zweiten Seite des Konversionselements (44) angeordnet ist.
Konversionseinheit (40) nach Anspruch 1, aufweisend • eine erste Antireflexionsschicht, die dazu ausgebildet ist, eine Reflexion des nicht konvertierten Anregungsstrahls (50, 52) zurück in Richtung weg von dem Konversionselement (44) zu verringern oder zu verhindern, und/oder • eine erste Reflexionsschicht, die dazu ausgebildet ist, eine Reflexion der Konversionsstrahlung (54) hin zu dem zweiten Kühlelement (44) zu verstärken, und/oder • eine zweite Antireflexionsschicht, die dazu ausgebildet ist, eine Reflexion der Konversionsstrahlung (54) zurück zu dem ersten Kühlelement (46) zu verringern oder zu verhindern, und/oder • eine zweite Reflexionsschicht, die dazu ausgebildet ist, eine Reflexion nicht konvertierter Anregungsstrahlung des Anregungsstrahls (50, 52) zurück zu dem Konversionselement (44) zu verstärken.
Konversionseinheit (40) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der zumindest das erste oder das zweite Kühlelement (42, 46) einen Abstandshalter (48) außerhalb des Konversionselements (44) aufweist, über den ein körperlicher Kontakt zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlelement (42, 46) besteht.
Laseranordnung (10) mit einer Strahlungsquelle (22), die einen Anregungsstrahl (50) erzeugt, und mit einer von der Strahlungsquelle (22) in einem vorgegebenen Abstand angeordneten Konversionseinheit (40), die so angeordnet ist, dass ein erstes Kühlelement (42) der Konversionseinheit (44) in Strahlrichtung des Anregungsstrahls (50) zwischen dem Konversionselement (44) und der Strahlungsquelle (22) angeordnet ist und dass das Konversionselement (44) ein Wellenlängenspektrum des Anregungsstrahls (50, 52) konvertiert und so Konversionsstrahlung (54) erzeugt.
Laseranordnung (10) nach Anspruch 4, mit einem Substrat (20), auf dem die Strahlungsquelle (22) so angeordnet ist, dass eine Richtungskomponente des aus der Strahlungsquelle (22) austretenden Anregungsstrahls (50) parallel zu einer Oberfläche des Substrats (20) ist, und mit einem Umlenkelement (29), das den Anregungsstrahl (50) so zu der Konversionseinheit (40) ablenkt, dass eine Richtungskomponente des abgelenkten Anregungsstrahls (52) senkrecht auf einer Oberfläche des Substrats (20) steht.
Laseranordnung (10) nach Anspruch 5, aufweisend • zwei oder mehr Strahlungsquellen (22a, 22b, 22c), die auf dem Substrat (20) angeordnet sind und die je einen Anregungsstrahl (50a, 50b, 50c) erzeugen, • zwei oder mehr Konversionselemente (44a, 44b, 44c), • zwei oder mehr Umlenkelemente (29a, 29b, 29c), die auf dem Substrat (20) angeordnet sind und die je einen der Anregungsstrahlen (50a, 50b, 50c) so zu den entsprechenden Konversionselementen (44a, 44b, 44c) ablenken, dass abgelenkte Anregungsstrahlen (52) zu einander parallele Richtungskomponenten aufweisen, und • wobei die Konversionselemente (44a, 44b, 44c) die Anregungsstrahlung der auf sie treffenden abgelenkten Anregungsstrahlen (52) konvertieren.
Laseranordnung (10) nach Anspruch 6, bei der die Strahlungsquellen (22a, 22b, 22c) so angeordnet sind, dass deren nicht abgelenkte Anregungsstrahlen (50a, 50b, 50c) eine Sternform bilden.
Laseranordnung (10) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei der die zwei oder mehr Konversionselemente (44a, 44b, 44c) zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlelement (42, 46) der einen Konversionseinheit (40) angeordnet sind.
Laseranordnung (10) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, die zwei oder mehr Konversionseinheiten (40a, 40b, 40c) aufweist, die jeweils ein erstes und ein zweites Kühlelement (42, 46) aufweisen, und bei der die zwei oder mehr Konversionselemente (44a, 44b, 44c) zwischen je einem ersten und einem zweiten Kühlelement (42, 46) der entsprechenden Konversionseinheit (40a, 40b, 40c) angeordnet sind.
Laseranordnung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 9, die ein Gehäuse (30) aufweist, in dem die Strahlungsquelle (22) und das Umlenkelement (29) angeordnet sind und die eine Öffnung (36) aufweist, die von der Konversionseinheit (40) verschlossen ist.
Laseranordnung (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, mit einer ersten Linse (26), die den aus der Strahlungsquelle (22) austretenden Anregungsstrahl (50) fokussiert oder kollimiert.
Beleuchtungsanordnung, die zwei oder mehr Laseranordnungen (10a, 10b) und eine optische Vereinigungseinheit (105) zum Vereinigen der Konversionsstrahlung (54a, 54b) der Laseranordnungen (10a, 10b) aufweist.
Beleuchtungsanordnung nach Anspruch 12, die eine weitere Laseranordnung (10c) ohne Konversionselement (44) aufweist und die nicht konvertierte Anregungsstrahlung des Anregungsstrahls (50, 52) der weiteren Laseranordnung (10c) mit der Konversionsstrahlung (54a, 54b) der Laseranordnungen (10a, 10b) vereinigt.
Verfahren zum Herstellen einer Konversionseinheit (44), bei dem ein Konversionselement (44), das eine erste Seite und eine von der ersten Seite abgewandte zweite Seite aufweist und das dazu ausgebildet ist, ein Wellenlängenspektrum eines durch das Konversionselement hindurch tretenden Anregungsstrahls (50, 52) zu konvertieren und so Konversionsstrahlung (54) zu erzeugen, an der ersten Seite des Konversionselements (44) in körperlichem Kontakt mit einem ersten Kühlelement (42) gekoppelt wird und bei dem das Konversionselement (44) an der zweiten Seite des Konversionselements (44) in körperlichem Kontakt mit einem zweiten Kühlelement (46) gekoppelt wird.
Verfahren zum Betreiben einer Laseranordnung (10), bei dem • mit Hilfe einer Strahlungsquelle (22) ein Anregungsstrahl (50) erzeugt wird, • der Anregungsstrahl (50) auf eine von der Strahlungsquelle (22) in einem vorgegebenen Abstand angeordnete Konversionseinheit (40) gerichtet wird, • ein erstes Kühlelement (42) der Konversionseinheit (44) mit dem Anregungsstrahl (50) durchleuchtet wird, • ein Konversionselement (44) mit dem durch das erste Kühlelement (42) hindurch tretenden Anregungsstrahl (50) beleuchtet wird, und • ein Wellenlängenspektrum von Anregungsstrahlung des Anregungsstrahls (50, 52) mit Hilfe des Konversionselements (44) konvertiert wird und so Konversionsstrahlung (54) erzeugt wird.