DE102012206971A1

DE102012206971A1 - Optische vorrichtung und beleuchtungseinrichtung

Info

Publication number: DE102012206971A1
Application number: DE102012206971A
Authority: DE
Inventors: Stephan SCHWAIGER; Oliver Hering; Jürgen Hager; Jasmin Muster
Original assignee: Osram GmbH
Current assignee: Osram GmbH
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2013-10-31
Also published as: WO2013160456A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung mit mindestens einem Lichtleiter (11), der eine Lichtaustrittsfläche (110) oder Lichtaustrittsöffnung besitzt, und mindestens einem Lichtkonversionselement (12), das der Lichtaustrittsfläche (110) bzw. Lichtaustrittsöffnung des mindestens einen Lichtleiters (11) nachgeordnet ist und dazu ausgebildet ist, aus dem mindestens einen Lichtleiter (11) austretendes Licht in Licht mit anderer Wellenlänge zu konvertieren, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lichtleiter (11) und das mindestens eine Lichtkonversionselement (12) mittels Kunststoffspritzgusstechnik in einem gemeinsamen Kunststoffhalter (13) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Beleuchtungseinrichtung mit einer derartigen optischen Vorrichtung.
I. Stand der Technik
Eine derartige optische Vorrichtung ist beispielsweise in der Schrift WO 2012/025141 A1 offenbart. Diese Schrift beschreibt eine Beleuchtungseinrichtung mit einer optischen Vorrichtung, wobei die optische Vorrichtung einen Lichtleiter und ein Lichtkonversionselement besitzt, das an einer Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters angeordnet ist.
II. Darstellung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine optische Vorrichtung bereitzustellen, die eine hohe Genauigkeit bei der räumlichen Ausrichtung des Lichtkonversionselements in Bezug auf die Lichtaustrittsfläche des mindestens einen Lichtleiters aufweist und die einen kompakten Aufbau besitzt, so dass die optische Vorrichtung in einem Kraftfahrzeugscheinwerfer einsetzbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine optische Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung besitzt mindestens einen Lichtleiter und mindestens ein Lichtkonversionselement, das einer Lichtaustrittsfläche des mindestens einen Lichtleiters nachgeordnet ist und dazu ausgebildet ist, aus dem mindestens einen Lichtleiter austretendes Licht zumindest teilweise in Licht mit anderer Wellenlänge zu konvertieren. Erfindungsgemäß sind der mindestens eine Lichtleiter und das mindestens eine Lichtkonversionselement in einem gemeinsamen Halter angeordnet. Dadurch werden das mindestens eine Lichtkonversionselement und der mindestens eine Lichtleiter in wohl definierter räumlicher Lage und Orientierung zueinander zuverlässig fixiert. Insbesondere ist dadurch gewährleistet, dass die räumliche Lage und Ausrichtung der Lichtaustrittsfläche des mindestens einen Lichtleiters in Bezug auf das mindestens eine Lichtkonversionselement während der Montage der optischen Vorrichtung in einer Leuchte erhalten bleibt. Außerdem ist die erfindungsgemäße optische Vorrichtung sehr kompakt bzw. platzsparend ausgebildet, da der Halter sowohl das mindestens eine Lichtkonversionselement als auch den mindestens einen Lichtleiter haltert und die Lichtquelle aufgrund der Verwendung von Lichtleitern weit entfernt von der optischen Vorrichtung angeordnet sein kann. Es ist dadurch möglich, die erfindungsgemäße optische Vorrichtung in einen Kraftfahrzeugscheinwerfer einzusetzen und die Lichtquelle zur Lichteinkopplung in die optische Vorrichtung weit entfernt von dem Kraftfahrzeugscheinwerfer anzuordnen.
Der Halter der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung ist in vorteilhafter Weise als Kunststoffhalter ausgebildet. Dadurch kann er mittels Kunststoffspritzgusstechnik gefertigt werden, so dass das mindestens eine Lichtkonversionselement und der mindestens eine Lichtleiter mittels Kunststoffspritzgusstechnik in dem Kunststoffmaterial des Kunststoffhalters in wohl definierter räumlicher Lage und Orientierung zueinander fixiert sind. Diese wohl definierte räumliche Lage und Orientierung des mindestens einen Lichtkonversionselement bezüglich des mindestens einen Lichtleiters bleibt aufgrund der Kunststoffspritzgusstechnik dauerhaft erhalten.
Vorteilhafterweise ist der Halter der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung rahmenartig ausgebildet und weist mindestens einen Durchbruch auf, in dem der mindestens eine Lichtleiter und das mindestens eine Lichtkonversionselement gehaltert sind. Dadurch wird eine gute Kühlung des mindestens einen Lichtkonversionselement und des mindestens einen Lichtleiters ermöglicht, weil das mindestens eine Lichtkonversionselement über den Durchbruch mit einem Kühlkörper in Kontakt gebracht werden kann oder über den Durchbruch mit Luft oder einem anderen gasförmigen Kühlmittel gekühlt werden kann. Außerdem erhält der Halter durch die rahmenartige Struktur einen besonders Platz und Material sparenden Aufbau.
Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung besitzt vorteilhafter Weise einen Kühlkörper, auf dem der Halter fixiert ist. Dadurch wird eine effiziente Kühlung des mindestens einen Lichtkonversionselements und des mindestens einen Lichtleiters gewährleistet, da die beiden vorgenannten Komponenten durch die Fixierung des Halters am Kühlkörper direkt mit dem Kühlkörper in Kontakt gebracht werden können. Außerdem bleibt die relative Lage und Ausrichtung von Lichtleiter und Lichtkonversionselement dadurch erhalten.
Vorzugsweise ist das mindestens eine Lichtkonversionselement der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung thermisch an den Kühlkörper gekoppelt, um eine Überhitzung des mindestens einen Lichtkonversionselements durch das aus dem mindestens einen Lichtleiter austretende Anregungslicht bzw. durch die aus dem mindestens einen Lichtleiter austretende elektromagnetische Strahlung zu vermeiden. Zu diesem Zweck ist vorzugsweise eine Oberfläche des mindestens einen Lichtkonversionselements im Kontakt mit dem Kühlkörper.
Das mindestens eine Lichtkonversionselement der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung ist dazu vorgesehen, aus dem mindestens einen Lichtleiter austretendes Licht teilweise oder vollständig in Licht mit anderer Wellenlänge zu konvertieren. Der Begriff Licht umfasst hier elektromagnetische Strahlung aus dem Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm, die mit dem menschlichen Auge wahrgenommen werden kann, ultraviolette Strahlung aus dem Wellenlängenbereich von 180 nm bis 380 nm sowie Infrarot-Strahlung mit Wellenlängen größer als 780 nm. Vorzugsweise ist das mindestens eine Lichtkonversionselement derart ausgebildet, dass es aus dem mindestens einen Lichtleiter austretendes blaues Licht aus dem Wellenlängenbereich von 380 nm bis 490 nm teilweise in gelbes Licht aus dem Wellenlängenbereich von 560 nm bis 590 nm konvertiert, so dass die Mischung aus nicht konvertiertem blauem Licht und konvertiertem gelbem Licht weißes Licht ergibt, das beispielsweise für Beleuchtungsanwendungen in einem Fahrzeugscheinwerfer tauglich ist. Alternativ kann das mindestens eine Lichtkonversionselement der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung derart ausgebildet sein, dass es aus dem mindestens einen Lichtleiter austretende ultraviolette Strahlung aus dem Frequenzbereich von 180 nm bis 380 nm vollständig in weißes Licht konvertiert. Als Lichtquelle zur Beleuchtung der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung wird vorzugsweise mindestens ein Halbleiterlaser, insbesondere eine oder mehrere Laserdioden verwendet, die entweder blaues Licht oder ultraviolette Strahlung in den mindestens einen Lichtleiter der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung einkoppeln.
Vorteilhafterweise weist das mindestens eine Lichtkonversionselement der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung Leuchtstoff auf, um auf einfache Weise aus dem mindestens einen Lichtleiter austretendes Licht, das zur Anregung des Leuchtstoffs dient, teilweise oder vollständig in Licht anderer Wellenlänge zu konvertieren. Vorzugsweise handelt es sich um Leuchtstoff, der Licht aus dem blauen Spektralbereich von 380 nm bis 490 nm in Licht aus dem gelben Spektralbereich von 560 nm bis 590 nm konvertiert, oder um Leuchtstoff, der ultraviolette Strahlung aus dem Wellenlängenbereich von 180 nm bis 380 nm in weißes Licht konvertiert. Solche Leuchtstoffe bzw. Leuchtstoffmischungen sind an sich bekannt. Über die Konzentration des Leuchtstoffs bzw. von Leuchtstoffpartikeln im mindestens einen Lichtkonversionselement oder die Dicke von Leuchtstoffschichten am Lichtkonversionselement kann in vorteilhafter Weise der Anteil des vom mindestens einen Lichtkonversionselement konvertierten Lichts gesteuert werden. Mit zunehmender Konzentration des Leuchtstoffs oder zunehmender Dicke der Leuchtstoffschicht steigt der Anteil des konvertierten Lichts. Vorzugsweise ist der Leuchtstoff daher als Leuchtstoffschicht auf einer Oberfläche des mindestens einen Lichtkonversionselements angebracht.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung ist die Leuchtstoffschicht auf einer metallischen Oberfläche des mindestens einen Lichtkonversionselements angeordnet. Dadurch weist die Oberfläche einen hohen Lichtreflexionsgrad und eine gute Kühlwirkung auf. Außerdem muss das aus dem mindestens einen Lichtleiter austretende Licht die Leuchtstoffschicht nach Reflexion an der metallischen Oberfläche nochmals durchlaufen, so dass der Anteil des konvertierten Lichts erhöht wird.
Das mindestens eine Lichtkonversionselement weist vorzugsweise Licht streuende Mittel auf, um eine gute Durchmischung von mittels Leuchtstoff konvertiertem Licht und nicht konvertiertem Licht zu ermöglichen. Die Licht streuenden Mittel sind vorzugsweise in Form von Licht streuenden Partikeln zusammen mit dem Leuchtstoff als Beschichtung auf einer Oberfläche des mindestens einen Lichtkonversionselements angeordnet oder die Licht streuenden Partikel und der Leuchtstoff sind vorzugsweise nach Art eines Sandwichs in unterschiedlichen Schichten auf einer Oberfläche des mindestens einen Lichtkonversionselements angeordnet. Alternativ können Leuchtstoff oder Licht streuende Partikel als Zusatz bzw. Dotierung im transparenten Material des mindestens einen Lichtkonversionselements homogen verteilt sein.
Das mindestens eine Lichtkonversionselement ist vorzugsweise als Wärmesenke für den Leuchtstoff ausgebildet.
Vorteilhafterweise umfasst das mindestens eine Lichtkonversionselement eine Optik mit Totalreflexion, um das Anregungslicht ohne Verluste in die gewünschte Richtung lenken zu können. Außerdem ermöglicht diese Optik eine Homogenisierung von Licht, das von unterschiedlichen Lichtleitern stammt. Vorzugsweise ist die Optik daher als verspiegelter Hohlraum oder als sogenannte TIR-Optik ausgebildet. Die Abkürzung "TIR" in TIR-Optik steht für "total internal reflexion". Der Begriff TIR-Optik bezeichnet daher eine Optik, bei der Lichtstrahlen auf die Grenzfläche vom optisch dichteren Medium zum optisch dünneren Medium unter einem Einfallswinkel größer als der kritische Winkel der Totalreflexion auftreffen und somit an dieser Grenzfläche total reflektiert werden, so dass kein Übertritt in das optisch dünnere Medium stattfindet. Bei dem optisch dichteren Medium handelt es sich beispielsweise um Glas- oder Kunststoffmaterial der Optik und bei dem optisch dünneren Material um Luft oder Vakuum.
Die oben beschriebene Leuchtstoffschicht des mindestens einen Lichtkonversionselements ist gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung auf einer Oberfläche der TIR-Optik oder des verspiegelten Hohlraums angeordnet.
Vorteilhafterweise ist der mindestens eine Lichtleiter der erfindungsgemäßen optischen Vorrichtung als Glasfaser ausgebildet. Dadurch wird eine flexible Verbindung und Lichtleitung zwischen räumlich getrennt angeordneter Lichtquelle und Lichtaustrittsöffnung einer Beleuchtungseinrichtung mit erfindungsgemäßer optischer Vorrichtung ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung besitzt mindestens einen Lichtleiter, mindestens eine Lichtquelle zur Lichteinkopplung in den mindestens einen Lichtleiter und mindestens ein Lichtkonversionselement, das einer Lichtaustrittsfläche des mindestens einen Lichtleiters nachgeordnet ist und dazu ausgebildet ist, aus dem mindestens einen Lichtleiter austretendes Licht in Licht mit anderer Wellenlänge zu konvertieren, wobei der mindestens eine Lichtleiter und das mindestens eine Lichtkonversionselement in einem gemeinsamen Halter angeordnet sind. Als Lichtquelle der Beleuchtungseinrichtung wird vorzugsweise mindestens ein Halbleiterlaser verwendet. Insbesondere werden eine oder mehrere Laserdioden verwendet, die während des Betriebs Licht aus dem Wellenlängenbereich des blauen Lichts von 380 nm bis 490 nm emittieren, das mittels des mindestens einen Lichtkonversionselements teilweise in Licht aus dem Wellenlängenbereich des gelben Lichts von 560 nm bis 590 nm konvertiert wird, so dass die Mischung aus konvertiertem und nicht konvertiertem Licht weißes Licht ergibt, das an einer Lichtaustrittsfläche der Beleuchtungseinrichtung für die gewünschte Beleuchtungsfunktion verfügbar ist. Alternativ können als Lichtquellen auch Laserdioden verwendet werden, die während des Betriebs ultraviolette Strahlung emittieren, die mittels des mindestens einen Lichtkonversionselements in weißes Licht konvertiert wird. Halbleiterlaser, insbesondere Laserdioden, ermöglichen im Vergleich zu anderen Lichtquellen, wie beispielsweise Leuchtdioden, eine sehr hohe Leuchtdichte, die für Lichtquellen in Projektionsanwendungen vorteilhaft ist.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung ist vorzugsweise als Bestandteil eines Kraftfahrzeugscheinwerfers ausgebildet.
III. Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
Nachstehend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 Eine perspektivische Ansicht einer optischen Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung
2 Einen Querschnitt durch die in 1 abgebildete optische Vorrichtung
3 Eine perspektivische Ansicht einer optischen Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung
4 Eine Draufsicht auf die in 3 abgebildete optische Vorrichtung
5 Eine perspektivische Ansicht einer optischen Vorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung
6 Einen Querschnitt durch die in 5 abgebildete optische Vorrichtung
7 Eine perspektivische Ansicht einer optischen Vorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung
8 Einen Querschnitt durch die in 7 abgebildete optische Vorrichtung
9 Eine perspektivische Ansicht einer optischen Vorrichtung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung
10 Eine perspektivische Darstellung des Lichtkonversionselements der in 9 abgebildeten optischen Vorrichtung
In den 1 und 2 ist schematisch eine optische Vorrichtung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Die optische Vorrichtung 10 besitzt einen Lichtleiter 11 in Form von drei parallel zueinander verlaufenden Glasfasern, ein Lichtkonversionselement 12 und einen Kunststoffhalter 13 sowie einen Kühlkörper 14. Der Kunststoffhalter 13 ist als Kunststoffspritzgussteil und rahmenartig ausgebildet. In dem Kunststoffmaterial des Kunststoffhalters 13 sind der Lichtleiter 11 und das Lichtkonversionselement 12 mittels Kunststoffspritzgusstechnik fixiert. Der Kunststoffhalter 13 besitzt einen Durchbruch 130, in dem das Lichtkonversionselement 12 und ein Ende des Lichtleiters 11 angeordnet sind. Das Ende des Lichtleiters 11 bildet eine Lichtaustrittsfläche 110 des Lichtleiters 11, aus der Licht austritt, das an einem anderen Ende (nicht abgebildet) des Lichtleiters 11 eingekoppelt wird. Als Lichtquelle (nicht abgebildet) dient vorzugsweise mindestens eine Laserdiode, die Licht aus dem Spektralbereich des blauen Lichts erzeugt. Die Lichtaustrittsfläche 110 des Lichtleiters 11 ist in dem Durchbruch 130 des Kunststoffhalters 13 mit Abstand zu dem Lichtkonversionselement 12 angeordnet, so dass von der Lichtaustrittsfläche 110 ausgehendes Licht auf eine Lichteintrittsfläche 121 des Lichtkonversionselements 12 trifft.
Das Lichtkonversionselement 12 wird von einem aus transparentem Kunststoff oder Glas bestehenden Umlenkprisma 120 gebildet, dessen Lichteintrittsfläche 121 der Lichtaustrittsfläche 110 des Lichtleiters 11 gegenüber liegt, und das eine mit Leuchtstoff 122 beschichtete Lichtaustrittsfläche 123 aufweist. Die Lichteintrittsfläche 121 des Umlenkprismas 120 ist in einem Winkel von 45 Grad zu der Lichtaustrittsfläche 110 des Lichtleiters 11 ausgerichtet und die Lichtaustrittsfläche 123 des Umlenkprismas 120 ist senkrecht zur Lichtaustrittsfläche 110 des Lichtleiters 11 angeordnet. Das Umlenkprisma 120 besitzt eine parallel zu seiner Lichteintrittsfläche 121 verlaufende Rückseite 124, die verspiegelt ausgebildet ist. Mit Hilfe des Umlenkprismas 120 und seiner mit Leuchtstoff 122 beschichteten Lichtaustrittsfläche 123 wird aus dem Lichtleiter 11 austretendes blaues Licht um einen Winkel von 90 Grad umgelenkt und ein gewisser Anteil des blauen Lichts beim Durchtritt durch den Leuchtstoff 122 in gelbes Licht konvertiert, so dass aus dem Lichtkonversionselement 12 weißes Licht austritt, das eine Mischung von mittels Leuchtstoff 122 in gelbes Licht konvertiertem Licht und nicht konvertiertem blauem Licht ist.
Der Kühlkörper 14 besteht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise aus Metall, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer, oder aus gut Wärme leitender Keramik, beispielsweise aus Aluminiumoxidkeramik oder Aluminiumnitridkeramik. Der Kunststoffhalter 13 ist mittels Klebstoff, Schrauben oder Nieten auf einer Oberfläche 140 des Kühlkörpers 14 befestigt. Der Kühlkörper 14 besitzt einen in dem Durchbruch 130 des Kunststoffhalters 13 hineinragenden Steg 141, der an der Rückseite 124 des Umlenkprismas 120 anliegt, um eine gute thermische Kopplung zwischen Lichtkonversionselement 12 und Kühlkörper 14 zu gewährleisten und eine ausreichende Kühlung des Leuchtstoffs 122 zu ermöglichen.
In den 3 und 4 ist schematisch eine optische Vorrichtung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel dargestellt. Diese optische Vorrichtung 20 besitzt einen Lichtleiter 21 in Form von drei parallel zueinander verlaufenden Glasfasern, ein Lichtkonversionselement 22 und einen Kunststoffhalter 23 sowie einen Kühlkörper 24. Der Kunststoffhalter 23 ist als Kunststoffspritzgussteil und rahmenartig ausgebildet. In dem Kunststoffmaterial des Kunststoffhalters 23 sind der Lichtleiter 21 und das Lichtkonversionselement 22 mittels Kunststoffspritzgusstechnik fixiert. Der Kunststoffhalter 23 besitzt einen-Durchbruch 230, in dem das Lichtkonversionselement 22 und ein Ende des Lichtleiters 21 angeordnet sind. Das Ende des Lichtleiters 21 bildet eine Lichtaustrittsfläche 210 des Lichtleiters 21, aus der Licht austritt, das an einem anderen Ende (nicht abgebildet) des Lichtleiters 21 eingekoppelt wird. Als Lichtquelle (nicht abgebildet) dient vorzugsweise mindestens eine Laserdiode, die Licht aus dem Spektralbereich des blauen Lichts erzeugt. Die Lichtaustrittsfläche 210 des Lichtleiters 21 ist in dem Durchbruch 230 des Kunststoffhalters 23 mit Abstand zu dem Lichtkonversionselement 22 angeordnet, so dass von der Lichtaustrittsfläche 210 ausgehendes Licht auf eine Lichtreflexionsfläche 223 des Lichtkonversionselements 22 trifft.
Das Lichtkonversionselement 22 wird von einem Metallkörper 220 gebildet, der in dem Material des Kunststoffhalters 23 mittels Kunststoffspritzgusstechnik fixiert ist und der eine mit Leuchtstoff 222 beschichtete, verspiegelte Lichtreflexionsfläche 223 besitzt. Diese Lichtreflexionsfläche 223 ist in dem Durchbruch 230 des Kunststoffhalters 23 mit Abstand zu der Lichtaustrittsfläche 210 des Lichtleiters 21 angeordnet und bildet mit der Lichtaustrittsfläche 210 des Lichtleiters 21 einen Winkel von 45 Grad. Der Leuchtstoff 222 ist als Schicht auf der verspiegelten Reflexionsfläche 223 des Metallkörpers 220 aufgebracht. Das aus dem Lichtleiter 21 austretende blaue Licht trifft auf die mit Leuchtstoff 222 beschichtete Reflexionsfläche 223 des Metallkörpers 220 und wird nach dem Passieren der Leuchtstoffschicht durch Reflexion an der Reflexionsfläche 223 um einen Winkel von 90 Grad umgelenkt. Mittels des Leuchtstoffs 222 wird ein gewisser Anteil des blauen Lichts in gelbes Licht konvertiert, so dass am Lichtkonversionselement 22 weißes Licht erzeugt wird, das eine Mischung aus in gelbes Licht konvertiertem Licht und nicht konvertiertem blauem Licht ist.
Der Kühlkörper 24 besteht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise aus Metall, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer, oder aus gut Wärme leitender Keramik, beispielsweise aus Aluminiumoxidkeramik oder Aluminiumnitridkeramik. Der Kunststoffhalter 23 ist mittels Klebstoff, Schrauben oder Nieten auf einer Oberfläche 240 des Kühlkörpers 24 befestigt. Der Metallkörper 220 liegt an der Oberfläche 240 des Kühlkörpers 24 an, um eine gute thermische Kopplung zwischen Lichtkonversionselement 22 und Kühlkörper 24 zu gewährleisten und eine ausreichende Kühlung des Leuchtstoffs 222 zu ermöglichen.
In den 5 und 6 ist schematisch eine optische Vorrichtung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel dargestellt. Die optische Vorrichtung 30 besitzt einen Lichtleiter 31 in Form von drei parallel zueinander verlaufenden Glasfasern, ein Lichtkonversionselement 32 und einen Kunststoffhalter 33 sowie einen Kühlkörper 34. Der Kunststoffhalter 33 ist als Kunststoffspritzgussteil und rahmenartig ausgebildet. In dem Kunststoffmaterial des Kunststoffhalters 33 sind der Lichtleiter 31 und das Lichtkonversionselement 32 mittels Kunststoffspritzgusstechnik fixiert. Der Kunststoffhalter 33 besitzt einen Durchbruch 330, in dem das Lichtkonversionselement 32 und ein Ende des Lichtleiters 31 angeordnet sind. Das Ende des Lichtleiters 31 bildet eine Lichtaustrittsfläche 310 des Lichtleiters 31, aus der Licht austritt, das an einem anderen Ende (nicht abgebildet) des Lichtleiters 31 eingekoppelt wird. Als Lichtquelle (nicht abgebildet) dient vorzugsweise mindestens eine Laserdiode, die Licht aus dem Spektralbereich des blauen Lichts erzeugt. Die Lichtaustrittsfläche 310 des Lichtleiters 31 ist in dem Durchbruch 330 des Kunststoffhalters 33 angeordnet.
Das Lichtkonversionselement 32 wird von einem mit Leuchtstoff 322 beschichteten, transparenten Saphirplättchen 320 gebildet, das unmittelbar an der Lichtaustrittsfläche 310 des Lichtleiters 31 angeordnet ist. Die Vorderseite des Saphirplättchens 320 befindet sich in Kontakt mit der Lichtaustrittsfläche 310 des Lichtleiters 31. Die von der Vorderseite abgewandte Rückseite 323 des Saphirplättchens 320 ist mit Leuchtstoff 322 beschichtet. Die mit Leuchtstoff 322 beschichtete Rückseite 323 hat eine Fläche im Bereich von 2 mm² bis 5 mm².
Dem Lichtkonversionselement 32 ist eine verspiegelte schräge Fläche 350 des Kunststoffhalters 33 nachgeordnet, die das aus der Lichtaustrittsfläche 310 des Lichtleiters 31 und durch das Saphirplättchen 320 hindurch tretende Licht um einen Winkel von 90 Grad umlenkt. Die verspiegelte Fläche 350 ist in einem Winkel von 45 Grad zu dem Saphirplättchen 320 bzw. zu den Oberflächen an Vorderseite und Rückseite 323 des Saphirplättchens 320 sowie der Lichtaustrittsfläche 310 des Lichtleiters 31 angeordnet.
Mit Hilfe des von dem Saphirplättchens 320 und seiner mit Leuchtstoff 322 beschichteten Rückseite 323 gebildeten Lichtkonversionselements 32 wird aus dem Lichtleiter 31 austretendes blaues Licht beim Durchtritt durch den Leuchtstoff 322 teilweise in gelbes Licht konvertiert, so dass aus dem Lichtkonversionselement 32 weißes Licht austritt, das eine Mischung von mittels Leuchtstoff 322 in gelbes Licht konvertiertem Licht und nicht konvertiertem blauem Licht ist. Der relative Anteil von konvertiertem und nicht konvertiertem Licht hängt von der Dicke der Leuchtstoffbeschichtung an der Rückseite 323 des Saphirplättchens 320 ab. Das an der Rückseite 323 des Saphirplättchens 320 austretende weiße Licht trifft auf die verspiegelte schräge Fläche 350 und wird dort um einen Winkel von 90 Grad umgelenkt.
Der Kühlkörper 34 besteht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise aus Metall, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer, oder aus gut Wärme leitender Keramik, beispielsweise aus Aluminiumoxidkeramik oder Aluminiumnitridkeramik. Der Kunststoffhalter 33 ist mittels Klebstoff, Schrauben oder Nieten auf einer Oberfläche 340 des Kühlkörpers 34 befestigt. Der Kühlkörper 34 befindet sich mit seiner Oberfläche 340 im Kontakt mit dem Saphirplättchen 320, um eine gute thermische Kopplung zwischen Lichtkonversionselement 32 und Kühlkörper 34 zu gewährleisten und eine ausreichende Kühlung des Leuchtstoffs 322 zu ermöglichen.
In den 7 und 8 ist schematisch eine optische Vorrichtung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel dargestellt. Die optische Vorrichtung 40 besitzt einen Lichtleiter 41 in Form von drei parallel zueinander verlaufenden Glasfasern, ein Lichtkonversionselement 42 und einen Kunststoffhalter 43 sowie einen Kühlkörper 44. Der Kunststoffhalter 43 ist als Kunststoffspritzgussteil und rahmenartig ausgebildet. In dem Kunststoffmaterial des Kunststoffhalters 43 sind der Lichtleiter 41 und das Lichtkonversionselement 42 mittels Kunststoffspritzgusstechnik fixiert. Der Kunststoffhalter 43 besitzt einen Durchbruch 430, in dem das Lichtkonversionselement 42 und ein Ende des Lichtleiters 41 angeordnet sind. Das Ende des Lichtleiters 41 bildet eine Lichtaustrittsfläche 410 des Lichtleiters 41, aus der Licht austritt, das an einem anderen Ende (nicht abgebildet) des Lichtleiters 41 eingekoppelt wird. Als Lichtquelle (nicht abgebildet) dient vorzugsweise mindestens eine Laserdiode, die Licht aus dem Spektralbereich des blauen Lichts erzeugt. Die Lichtaustrittsfläche 410 des Lichtleiters 41 ist in dem Durchbruch 430 des Kunststoffhalters 43 mit Abstand zu dem Lichtkonversionselement 42 angeordnet, so dass von der Lichtaustrittsfläche 410 ausgehendes Licht auf eine Lichteintrittsfläche 421 des Lichtkonversionselements 42 trifft.
Das Lichtkonversionselement 42 wird von einer aus transparentem Kunststoff oder Glas bestehenden TIR-Optik 420 gebildet, deren Lichteintrittsfläche 421 der Lichtaustrittsfläche 410 des Lichtleiters 41 gegenüber liegt, und die eine mit Leuchtstoff 422 beschichtete Lichtaustrittsfläche 423 aufweist. Der Begriff TIR-Optik bezeichnet eine Optik, die derart ausgebildet ist, dass an ihren Grenzflächen, mit Ausnahme ihrer Lichtaustrittsfläche 423, beim Übergang des Lichts vom optisch dichteren Medium zum optisch dünneren Medium Totalreflexion auftritt. Die Lichteintrittsfläche 421 der TIR-Optik 420 ist parallel zu der Lichtaustrittsfläche 410 des Lichtleiters 41 ausgerichtet und die Lichtaustrittsfläche 423 der TIR-Optik 420 ist senkrecht zur Lichtaustrittsfläche 410 des Lichtleiters 41 angeordnet. Die TIR-Optik 420 besitzt eine im Winkel von 45 Grad zu ihrer Lichteintrittsfläche 421 verlaufende, verspiegelte Schräge 424. Mit Hilfe der TIR-Optik 420 und ihrer mit Leuchtstoff 422 beschichteten Lichtaustrittsfläche 423 wird aus dem Lichtleiter 41 austretendes blaues Licht um einen Winkel von 90 Grad umgelenkt und ein gewisser Anteil des blauen Lichts beim Durchtritt durch den Leuchtstoff 422 in gelbes Licht konvertiert, so dass aus dem Lichtkonversionselement 42 weißes Licht austritt, das eine Mischung von mittels Leuchtstoff 422 in gelbes Licht konvertiertem Licht und nicht konvertiertem blauem Licht ist. Die senkrecht zur Lichtaustrittsfläche 423 verlaufenden Grenzflächen der TIR-Optik 420 sind total reflektierend ausgebildet. Dadurch trifft blaues Licht aus unterschiedlichen Winkeln auf die mit Leuchtstoff 422 beschichtete Lichtaustrittsfläche 423 und es wird somit eine gute Mischung von konvertiertem und nicht konvertiertem Licht gewährleistet, so dass die Lichtaustrittsfläche 423 des Lichtkonversionselements 42 homogenes weißes Licht mit lambertscher Verteilung emittiert.
Der Kühlkörper 44 besteht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise aus Metall, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer, oder aus gut Wärme leitender Keramik, beispielsweise aus Aluminiumoxidkeramik oder Aluminiumnitridkeramik. Der Kunststoffhalter 43 ist mittels Klebstoff, Schrauben oder Nieten auf einer Oberfläche 440 des Kühlkörpers 44 befestigt. Der Kühlkörper 44 befindet sich mittels eines in den Durchbruch 430 des Kunststoffhalters 43 hineinragenden, keilartigen Stegs 441 in Kontakt mit der TIR-Optik 420. Der keilartige Steg 441 liegt an der Schräge 424 der TIR-Optik 420 an, um eine gute thermische Kopplung zwischen Lichtkonversionselement 42 und Kühlkörper 44 zu gewährleisten und eine ausreichende Kühlung des Leuchtstoffs 422 zu ermöglichen. Der Steg 441 ist entweder einstückig mit dem Kühlkörper 44 oder als separates, in dem Kunststoffhalter 43 mittels Kunststoffspritzgusstechnik fixiertes Bauteil ausgebildet.
In den 9 und 10 ist schematisch eine optische Vorrichtung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel dargestellt. Die optische Vorrichtung 50 besitzt einen Lichtleiter 51 in Form von drei parallel zueinander verlaufenden Glasfasern, ein Lichtkonversionselement 52 und einen Kunststoffhalter 53 sowie einen Kühlkörper 54. Der Kunststoffhalter 53 ist als Kunststoffspritzgussteil und rahmenartig ausgebildet. In dem Kunststoffmaterial des Kunststoffhalters 53 sind der Lichtleiter 51 und das Lichtkonversionselement 52 mittels Kunststoffspritzgusstechnik fixiert. Der Kunststoffhalter 53 besitzt einen Durchbruch 530, in dem das Lichtkonversionselement 52 und ein Ende des Lichtleiters 51 angeordnet sind. Das Ende des Lichtleiters 51 bildet eine Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters 51, aus der Licht austritt, das an einem anderen Ende (nicht abgebildet) des Lichtleiters 41 eingekoppelt wird. Als Lichtquelle (nicht abgebildet) dient vorzugsweise mindestens eine Laserdiode, die Licht aus dem Spektralbereich des blauen Lichts erzeugt. Die Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters 51 ist in dem Durchbruch 530 des Kunststoffhalters 53 angeordnet, so dass von der Lichtaustrittsfläche ausgehendes Licht auf eine Lichteintrittsöffnung 521 des Lichtkonversionselements 52 trifft.
Das Ende des Lichtleiters 51, das von den Enden der drei, in dem Durchbruch 530 angeordneten Glasfasern gebildet wird und auch die Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters 51 definiert, ist vorzugsweise unmittelbar an der Lichteintrittsöffnung 521 des Lichtkonversionselements 52 angeordnet oder erstreckt sich in die Lichteintrittsöffnung 521 des Lichtkonversionselements 52 hinein, um die Lichtverluste beim Übergang des Lichts vom Lichtleiter 51 zum Lichtkonversionselement 52 zu minimieren.
Das Lichtkonversionselement 52 besitzt einen Hohlkörper 520, der abgesehen von einer schräg verlaufenden Stirnseite 524 quaderförmig ausgebildet ist. Die Wände des Hohlkörpers 520 sind an ihren Innenseiten verspiegelt und bilden somit einen verspiegelten Hohlraum. Der Hohlkörper 520 weist eine Lichteintrittsöffnung 521 auf, in welche das als Lichtaustrittsfläche ausgebildete Ende des Lichtleiters 51 hineinragt. Außerdem besitzt der Hohlkörper 520 eine Lichtaustrittsöffnung 523, die von einem mit Leuchtstoff 522 beschichteten Saphirplättchen 525 abgedeckt ist. Das über die Lichteintrittsöffnung 521 in den Hohlkörper 520 eingekoppelte blaue Licht wird mehrfach an den verspiegelten Innenwänden des Hohlkörpers 520 reflektiert, bevor es auf das mit Leuchtstoff 522 beschichtete Saphirplättchen 525 an der Lichtaustrittsöffnung 523 des Hohlkörpers 520 trifft. Mit Hilfe des Hohlkörpers 520 und des an seiner Lichtaustrittsöffnung 523 angeordneten, mit Leuchtstoff 522 beschichteten Saphirplättchens 525 wird aus dem Lichtleiter 51 austretendes blaues Licht um einen Winkel von 90 Grad umgelenkt und ein gewisser Anteil des blauen Lichts beim Durchtritt durch den Leuchtstoff 522 in gelbes Licht konvertiert, so dass aus dem Lichtkonversionselement 52 weißes Licht austritt, das eine Mischung von mittels Leuchtstoff 522 in gelbes Licht konvertiertem Licht und nicht konvertiertem blauem Licht ist. Durch die geringfügig vorhandene Auffächerung des Lichts beim Verlassen des Lichtleiters 51 und die Mehrfachreflexion an der verspiegelten Innenseite der Wände des quaderförmigen Hohlkörpers 520 trifft blaues Licht aus unterschiedlichen Winkeln auf das mit Leuchtstoff 522 beschichtete Saphirplättchen 522 an der Lichtaustrittsöffnung 523 und es wird somit eine gute Mischung von konvertiertem und nicht konvertiertem Licht gewährleistet, so dass das Lichtkonversionselement 52 weißes Licht mit lambertscher Verteilung emittiert.
Der Kühlkörper 54 besteht aus Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise aus Metall, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer, oder aus gut Wärme leitender Keramik, beispielsweise aus Aluminiumoxidkeramik oder Aluminiumnitridkeramik. Der Kunststoffhalter 53 ist mittels Klebstoff, Schrauben oder Nieten auf einer Oberfläche 540 des Kühlkörpers 54 befestigt. Ein von der Oberfläche 540 des Kühlkörpers 54 abstehender, keilartiger Steg, der in den Durchbruch 530 hineinragt, liegt an der Außenseite einer schräg verlaufenden Stirnseite 524 des Hohlkörpers 520 an, um eine gute thermische Kopplung zwischen Lichtkonversionselement 52 und Kühlkörper 54 zu gewährleisten und eine ausreichende Kühlung des Leuchtstoffs 522 zu ermöglichen. Das Saphirplättchen 525 besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit und trägt somit ebenfalls zur Kühlung des Leuchtstoffs 522 bei.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben näher erläuterten Ausführungsbeispiele der Erfindung. Beispielsweise können die Lichtkonversionselemente gemäß den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen zusätzlich zu der Leuchtstoffschicht jeweils eine Lichtstreuende Schicht aufweisen, die beispielsweise zwischen der Leuchtstoffschicht und der Lichtaustrittsfläche oder Lichteintrittsfläche des Lichtkonversionselements angeordnet ist, um eine homogenere Mischung von mittels Leuchtstoff konvertiertem gelbem und nicht konvertiertem blauem Licht zu erreichen. Außerdem kann der Lichtleiter nur aus einer einzigen Glasfaser oder aus mehr als drei Glasfasern bestehen oder auch eine beliebig andere Form aufweisen. Insbesondere kann der Lichtleiter Glasfasern umfassen, deren Licht am Lichtkonversionselement vorbeigeführt wird, um beispielsweise entweder deren nicht konvertiertes Licht mit konvertiertem Licht aus dem Lichtkonversionselement zusammen zuführen und zu mischen oder aber das nicht konvertierte Licht für andere Applikationen zu nutzen. Ferner kann der Leuchtstoff ein einzelner Leuchtstoff oder eine Mischung von mehreren Leuchtstoffen sein. Weiterhin kann der Leuchtstoff in Form einer aus einer oder mehreren Leuchtstoffschichten bestehenden Beschichtung vorgesehen sein. Außerdem muss der Leuchtstoff nicht unbedingt derart ausgebildet sein, dass er blaues Licht in gelbes Licht konvertiert, wie bei den oben näher beschriebenen Ausführungsbeispielen beschrieben wurde. Alternativ können beispielsweise Leuchtstoffe verwendet werden, die ultraviolette Strahlung in weißes Licht konvertieren, wobei als Lichtquelle für die Lichteinkopplung in den Lichtleiter ein Laser genutzt wird, der statt blauem Licht ultraviolette Strahlung erzeugt und in den Lichtleiter einkoppelt.
Die Lichtkonversionsschicht kann auch in Form einer Leuchtstoffeinbettungsmatrix vorgesehen sein, in welcher die Leuchtstoffpartikel idealerweise fein gelöst verteilt sind; es kann sich beispielsweise um einen Keramikkörper handeln, etwa dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (YAG). So ergibt beispielsweise mit Eu dotiertes YAG einen roten und mit Ce dotiertes YAG einen grünen Leuchtstoff; als blauer Leuchtstoff kann beispielsweise Eu dotiertes Barium-Magnesium-Aluminat (BAM) vorgesehen sein.
Als Leuchtstoff wird bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen vorzugsweise Gelbkonversions-Leuchtstoff, insbesondere mit Zer dotierter Yttrium-Aluminium-Granat (YAG:Ce) verwendet.
Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung und die erfindungsgemäße Beleuchtungseinrichtung mit einer optischen Vorrichtung lassen sich auch in anderen Applikationen einsetzen, zum Beispiel in Scheinwerfern, Follow-Spots, Lichtfingern (Sky-Tracker), Such- und Signalscheinwerfern, Effektleuchten in der Unterhaltungsindustrie sowie für medizinische und industrielle Beleuchtung oder Bestrahlung, beispielweise für Hauttherapie.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/025141 A1 [0002]

Claims

Optische Vorrichtung mit mindestens einem Lichtleiter (11), der eine Lichtaustrittsfläche (110) oder Lichtaustrittsöffnung besitzt, und mindestens einem Lichtkonversionselement (12), das der Lichtaustrittsfläche (110) bzw. Lichtaustrittsöffnung des mindestens einen Lichtleiters (11) nachgeordnet ist und dazu ausgebildet ist, aus dem mindestens einen Lichtleiter (11) austretendes Licht zumindest teilweise in Licht mit anderer Wellenlänge zu konvertieren, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Lichtleiter (11) und das mindestens eine Lichtkonversionselement (12) in einem gemeinsamen Halter (13) angeordnet sind.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Halter (13) als Kunststoffhalter ausgebildet.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Halter (13) rahmenartig ausgebildet ist und mindestens einen Durchbruch (130) aufweist, in dem der mindestens eine Lichtleiter (11) und das mindestens eine Lichtkonversionselement (12) gehaltert sind.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die optische Vorrichtung einen Kühlkörper (14) aufweist, auf dem der Halter (13) fixiert ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei das mindestens eine Lichtkonversionselement (12) thermisch an den Kühlkörper (14) gekoppelt ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei das mindestens eine Lichtkonversionselement (12) mit einer Oberfläche des Kühlkörpers (14) im Kontakt ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das mindestens eine Lichtkonversionselement (12) Leuchtstoff (122) aufweist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Leuchtstoff (122) auf einer Oberfläche (123) des mindestens einen Lichtkonversionselements (12) angeordnet ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Oberfläche (223) metallisch ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das mindestens eine Lichtkonversionselement (12) als Wärmesenke für den Leuchtstoff (122) ausgebildet ist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das mindestens eine Lichtkonversionselement (42) eine Optik (420) mit Totalreflexion umfasst.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Optik (420, 520) als verspiegelter Hohlraum oder als TIR-Optik ausgebildet ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Optik (120) mindestens eine mit Leuchtstoff (122) beschichtete Oberfläche (123) aufweist.
Optische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, wobei das mindestens eine Lichtkonversionselement Licht streuende Mittel aufweist.
Beleuchtungseinrichtung mit einer optischen Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 und mindestens einer Lichtquelle zur Lichteinkopplung in den mindestens einen Lichtleiter der optischen Vorrichtung.