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Die Erfindung betrifft eine Leuchtvorrichtung, welche mindestens einen Kühlkörper und mindestens einen Leuchtstoffkörper, welcher an dem Kühlkörpers angeordnet ist, aufweist. Die Leuchtvorrichtung ist insbesondere einsetzbar als Licht erzeugende Einheit in einem Projektor, z.B. für Videoprojektoren oder als Fahrzeugleuchte, z.B. für Kraftfahrzeuge.
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Zur effizienten Erzeugung von langwelligem (Sekundär-)Licht (z.B. der Farben grün, gelb, rot, infrarot usw.) wird häufig Leuchtstoff verwendet, welcher blaues (Primär-)Licht von Leuchtdioden (LEDs) oder Laserdioden wellenlängenumwandelt bzw. konvertiert. Der Leuchtstoff liegt üblicherweise in Schichtform mit seiner Rückseite auf einem Kühlkörper auf und wird vorderseitig mit dem blauen Primärlicht bestrahlt. Das blaue Primärlicht wird zumindest teilweise durch den Leuchtstoff in Sekundärlicht umgewandelt und isotrop emittiert. Dadurch tritt Sekundärlicht auch wieder aus der Vorderseite aus. Zur Erhöhung einer Effizienz ist es bekannt, zumindest eine Kontaktfläche des Kühlkörpers mit dem Leuchtstoff reflektiv auszugestalten, so dass auf den Kühlkörper auftreffendes Licht nach erneutem Durchgang durch den Leuchtstoff ebenfalls von der Vorderseite abstrahlbar ist.
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Bei diesem Aufbau wird jedoch ein geringer Anteil des eingestrahlten blauen Primärlichts an der Oberfläche des Leuchtstoffs reflektiert, was eine Erzeugung von gewünschten Farben deutlich erschwert, insbesondere eine Erzeugung von satten Farben bei einer ansonsten vollständigen Umwandlung des Primärlichts in Sekundärlicht durch den Leuchtstoff (Vollkonversion).
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Zur Unterdrückung des reflektierten Anteils des blauen Primärlichts ist eine Verwendung eines Blaufilters bekannt. Dabei ist nachteilig, dass der Filter nicht nur blaues Licht, sondern immer auch einen Teil des konvertierten Sekundärlichts filtert, so dass eine Effizienz sinkt. Außerdem ist die Positionierung des Filters praktisch häufig schwierig, da das einstrahlende Primärlicht nicht gefiltert werden soll.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine Leuchtvorrichtung bereitzustellen, welche bei einfachem Aufbau auf einfache Weise einen Anteil eines bei Einstrahlung reflektierten Primärlichts unterdrücken kann.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Leuchtvorrichtung, mindestens aufweisend einen Kühlkörper, mindestens einen Leuchtstoffkörper, welcher an einer Vorderseite des Kühlkörpers angeordnet ist, und mindestens eine durch den Kühlkörper durchführende Aussparung, welche von einem Leuchtstoffkörper überdeckt ist.
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Dadurch kann der (jeweilige) Leuchtstoffkörper durch die mindestens eine Aussparung hindurch mit (Primär-)Licht bestrahlt werden. Diese durch das Primärlicht bestrahlbare Seite wird im Folgenden auch als Rückseite des Leuchtstoffkörpers bezeichnet. In der Leuchtstoffschicht wird das Primärlicht zumindest teilweise in Sekundärlicht wellenlängenumgewandelt. An der Vorderseite des Leuchtstoffkörpers treten folgend zumindest Sekundärlicht und ggf. auch noch ein nicht durch den mindestens einen Leuchtstoff konvertierter Anteil an Primärlicht aus.
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Durch die Bestrahlung der Rückseite ergibt sich der Vorteil, dass der reflektierte Anteil des auf den Leuchtstoffkörper einfallenden Primärlichts nur an der Rückseite auftritt und also in rückwärtige Richtung reflektiert wird, aber nicht mehr an der für die Nutzung des Sekundärlichts vorgesehenen Vorderseite des Leuchtstoffkörpers vorhanden ist. Dadurch wird eine Fehlerquelle für ein Maß eines ggf. gewünschten Primärlichtanteils eliminiert. Für den Fall der Vollkonversion von Primärlicht in Sekundärlicht in dem Leuchtstoffkörper kann so auf einfache Weise ein Primärlichtanteil an der Vorderseite vermieden werden.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass sich der Leuchtstoffkörper besonders stark in der Nähe der mit Primärlicht bestrahlten Oberfläche (hier: der Rückseite) erwärmt. Da die Rückseite sich aber nahe an dem Kühlkörper befindet bzw. darauf aufliegt, wird eine verbesserte Entwärmung des Leuchtstoffkörpers ermöglicht.
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Es ist eine Weiterbildung, dass der Leuchtstoffkörper ein schicht- oder lagenartiger Leuchtstoffkörper ist. Dieser ist besonders einfach auf den Kühlkörper aufbringbar, z.B. mittels eines Sprühverfahrens.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass der Leuchtstoffkörper dazu eingerichtet ist, eine Vollkonversion durchzuführen. In anderen Worten ist der Leuchtstoffkörper insbesondere dazu eingerichtet, an seiner Vorderseite zumindest im Wesentlichen nur wellenlängenumgewandeltes Sekundärlicht abzustrahlen. Die zumindest wesentliche Abstrahlung umfasst insbesondere eine Abstrahlung mit einem Anteil des Primärlichts von 10% oder weniger, insbesondere von 5% oder weniger, speziell von 2% oder weniger und speziell von 0% (absolute Vollkonversion).
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Der zugehörige Konversionsgrad lässt sich beispielsweise über eine Dichte des in dem Leuchtstoffkörper befindlichen mindestens einen Leuchtstoffs und/oder über eine Dicke des Leuchtstoffkörpers einstellen.
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Allgemein kann der Leuchtstoffkörper einen oder mehrere Leuchtstoffe aufweisen. Ein Leuchtstoff kann insbesondere auf das Primärlicht und/oder auf ein Sekundärlicht eines anderen Leuchtstoffs ansprechen.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass der Leuchtstoffkörper an einem die mindestens eine Aussparung überdeckenden Bereich eine Antireflexbeschichtung aufweist. Dadurch kann das Primärlicht mit höherer Lichtstärke in den Leuchtstoffkörper eingestrahlt werden, was eine Helligkeit oder Lichtstärke an der Vorderseite erhöhen kann, und damit eine Effizienz der Leuchtvorrichtung.
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Die Antireflexbeschichtung kann beispielsweise ausgestaltet sein durch dielektrische Schichtsysteme, Muster mit Strukturen, welche sehr viel kleiner sind als die Wellenlänge des Primärlichts (Mottenaugeneffekt) oder durch eine Nutzung eines Brewster-Winkels bei polarisierten Quellen.
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Der Leuchtstoffkörper kann in einer Weiterbildung so ausgestaltet sein, dass Leuchtstoff (d.h., ein oder mehrere Leuchtstoffe) als Füllmaterial in ein Trägermaterial, Matrixmaterial oder Grundmaterial eingebracht ist, z.B. in das bekannte Silikon oder in Polycarbonat. Dies ermöglicht eine preiswerte Herstellung und einfache Formgebung.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass der Leuchtstoffkörper ein Grundmaterial aus Wasserglas aufweist, in welchem Leuchtstoff als Füllmaterial eingebracht ist. Die Verwendung von Wasserglas weist den Vorteil auf, dass es hochgradig temperaturbeständig und zudem vergleichsweise gut wärmeleitend ist (z.B. im Vergleich zu dem üblicherweise verwendeten Silikon).
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die mindestens eine Aussparung mit Wasserglas gefüllt ist. Dadurch ergibt sich eine verbesserte thermische Anbindung des direkt bestrahlten Oberflächenbereichs des Leuchtstoffkörpers mit dem Kühlkörper, ohne dass die Effizienz der Leuchtvorrichtung darunter leidet.
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Es ist eine zur Steigerung der Effizienz vorteilhafte Weiterbildung, dass auf einer freien (rückwärtigen) Oberfläche des Wasserglases eine Antireflexbeschichtung angeordnet ist.
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Es ist eine Weiterbildung davon, dass die Antireflexbeschichtung auf einer Lage aus Wasserglas (ohne Leuchtstofffüllung) angeordnet ist, welche selbst auf dem Leuchtstoffkörper angeordnet ist. Die Antireflexbeschichtung kann also insbesondere auf einer Vorderseite des Leuchtstoffkörpers angebracht sein, welcher mit seiner Rückseite auf dem Leuchtstoffkörper aufliegt. Diese Weiterbildung weist den Vorteil auf, dass die Aufbringung der Antireflexbeschichtung den in dem Leuchtstoffkörper vorhandenen Leuchtstoff weniger beeinflusst, z.B. thermisch oder anderweitig prozesstechnisch, und die Antireflexbeschichtung dennoch fest und ohne signifikante optische Verluste zu erzeugen an dem Leuchtstoffkörper befestigt ist.
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Es wird bevorzugt, dass die Lage aus Wasserglas (ohne Leuchtstofffüllung) eine Dicke zwischen 10 Mikrometer und 100 Mikrometer aufweist, insbesondere zwischen 10 Mikrometer und 50 Mikrometer.
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Anstelle der Lage aus Wasserglas kann beispielsweise auch eine Lage aus Glas (insbesondere mit einem zu Wasserglas ähnlichen Brechungsindex) verwendet werden.
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Es ist auch eine Ausgestaltung, dass der Leuchtstoffkörper ein keramischer Leuchtstoffkörper ist. Ein keramischer Leuchtstoffkörper ist hochgradig temperaturbeständig und besonders gut wärmeleitend. Der keramische Leuchtstoffkörper kann insbesondere ein durch Sintern hergestellter Vollkörper sein. Der keramische Leuchtstoffkörper kann insbesondere als ein Keramikplättchen vorliegen, das z.B. durch Kleben auf den Kühlkörper aufgebracht werden kann.
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Es ist außerdem eine Ausgestaltung, dass der Kühlkörper ein stationärer Kühlkörper ist. Diese Leuchtvorrichtung weist den Vorteil auf, dass sie eine einfache und kompakte Bauweise erlaubt und dennoch der (mindestens eine) Leuchtstoff gut kühlbar ist.
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Alternativ mag der Kühlkörper ein beweglicher Kühlkörper sein, z.B. eine drehbare Scheibe eines Leuchtrads oder Farbrads. Der bewegliche Kühlkörper mag eine noch bessere Kühlung und/oder Verteilung des eingestrahlten Primärlichts bereitstellen.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Leuchtvorrichtung mindestens eine Halbleiterlichtquelle zur Bestrahlung mindestens eines Leuchtstoffkörpers durch mindestens eine Aussparung aufweist. So kann vorteilhafterweise ein hochenergetischer, effizient auf den (mindestens einen) Leuchtstoff abgestimmter Primärlichtstrahl mit einem vergleichsweise geringen Aufwand bereitgestellt werden.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die Leuchtvorrichtung eine Lichtquelle aufweist. Die eine Lichtquelle kann Licht in eine oder mehrere Aussparungen strahlen.
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Es ist eine alternative Weiterbildung, dass die Leuchtvorrichtung mehrere Lichtquellen aufweist. Die mehreren Lichtquellen sind in einer Variante so ausgestaltet und angeordnet, dass sie Licht in eine jeweilige Aussparung einstrahlen. Jedoch können mehrere Lichtquellen auch Licht in eine gemeinsame Aussparung einstrahlen.
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Es ist ferner eine Weiterbildung, dass die mindestens eine Lichtquelle mindestens einen Laser aufweist. Ein solcher Laser kann besonders lichtstark und schmal ausgebildet sein und mag besonders effizient auf einen Leuchtstoff abgestimmt sein. Der Laser kann beispielsweise in Form einer Laserdiode ausgebildet sein.
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Es ist ferner eine Weiterbildung, dass die mindestens eine Lichtquelle mindestens eine Leuchtdiode aufweist.
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Jedoch ist die Leuchtvorrichtung nicht darauf beschränkt und kann beispielsweise auch eine andersartige Lichtquelle aufweisen, z.B. eine Leuchtstoffröhre. Der Lichtquelle kann ein Spektralfilter nachgeschaltet sein.
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Es ist zudem eine Weiterbildung, dass an dem Leuchtstoffkörper mindestens eine Optik aufgebracht ist, z.B. durch Immersion. Die Optik kann z.B. eine Linse oder ein Konzentrator sein. Die Optik kann entspiegelt sein.
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Es ist ferner eine Weiterbildung, dass die Leuchtvorrichtung eine Licht erzeugende Einheit in einem Projektor, beispielsweise Videoprojektor, ist.
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Es ist darüber hinaus eine Weiterbildung, dass die Leuchtvorrichtung eine Fahrzeugleuchtvorrichtung oder ein Teil davon ist. Die Fahrzeugleuchtvorrichtung kann insbesondere ein Scheinwerfer sein. Als Fahrzeuge können beispielsweise landgebundene Fahrzeuge (z.B. Pkw, Lkw, Motorräder, E-Bikes, Fahrräder usw.) in Betracht kommen, aber auch Flugzeuge oder Schiffe usw.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird.
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Die Figur zeigt dazu als Schnittdarstellung in Seitenansicht eine Leuchtvorrichtung 11, welche einen plattenförmigen Kühlkörper 12 aufweist. Der Kühlkörper 12 kann beispielsweise ein drehbarer Teil eines Farbrads sein, das eine Drehachse in der Bildebene aufweist. Der Kühlkörper 12 kann alternativ stationär sein.
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Der Kühlkörper 12 kann beispielsweise aus Aluminium und/oder Kupfer bestehen. An einer Vorderseite 13 des Kühlkörpers 12 ist ein lagenförmiger Leuchtstoffkörper 14 angebracht, welcher eine durch den Kühlkörper 12 durchführende Aussparung 15 überdeckt. Zumindest an dem durch den Leuchtstoffkörper 14 überdeckten Bereich der Vorderseite 13 kann der Kühlkörper 12 reflektierend ausgestaltet sein.
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In rückwärtiger Richtung in Bezug auf den Kühlkörper 12 ist mindestens eine Halbleiterlichtquelle 16 in Form eines blaues Primärlicht P (z.B. einer Wellenlänge im Bereich zwischen 445 nm bis 480 nm) abstrahlenden Lasers oder Leuchtdiode angeordnet. Die Halbleiterlichtquelle 16 ist so ausgerichtet, dass sie zumindest zeitweise das von ihr erzeugte Primärlicht P durch Aussparung 15 auf eine Rückseite 17 des Leuchtstoffkörpers 14 strahlt.
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Das eingestrahlte Primärlicht P tritt in den Leuchtstoffkörper 14 ein und wird dort von mindestens einem Leuchtstoff L in längerwelliges Sekundärlicht S umgewandelt. Dazu weist der Leuchtstoffkörper 14 ein Grundmaterial aus Wasserglas W auf, in dem Leuchtstoff L als Füllmaterial eingebracht ist. Der Leuchtstoffkörper 14 ist so dick und/oder der Leuchtstoff L weist eine solche Dichte auf, dass auf der der Rückseite 17 abgewandten Vorderseite 18 des Leuchtstoffkörpers 14 im Wesentlichen nur noch Sekundärlicht S austritt (Vollkonversion). Insbesondere dieses vorderseitig austretende Sekundärlicht S kann weiter verwendet werden.
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Dieses Sekundärlicht S ist besonders farbrein oder satt, da eine ggf. erzeugte blaue Reflexion nur an der Rückseite 17 des Leuchtstoffkörpers 14 auftritt. Das reflektierte Primärlicht P hat also keinen Einfluss auf den Konversionsgrad (Farbsättigung), sondern nur auf die Effizienz. Ein weiterer Vorteil der Leuchtvorrichtung 11 ist, dass sich der Leuchtstoffkörper 14 an dem Bereich, an welchem das Primärlicht P eingestrahlt wird, besonders nah an dem Kühlkörper 12 befindet und folglich besonders gut kühlbar ist.
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Zur noch weiter verbesserten Kühlung kann die Aussparung 15 mit Wasserglas W als Einfüllmaterial 19 (oder einem anderen Material mit einem gleichen oder ähnlichen Brechungsindex wie dem Grundmaterial des Leuchtstoffkörpers 14) gefüllt sein.
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Zur weiteren Erhöhung der Effizienz durch Unterdrückung der Reflexion des eingestrahlten Primärlichts P an dem Leuchtstoffkörper 14, kann an der Rückseite 17 des Leuchtstoffkörpers 14 im Bereich der Aussparung eine Antireflexbeschichtung 20 vorgesehen sein. Diese ist hier über eine dünne Wasserglasschicht 21 an dem Leuchtstoffkörper 14 angebracht.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen
