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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Leuchtstoffrad zur Umwandlung von Pumplicht zu Konversionslicht.
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Stand der Technik
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Der Einsatz von Leuchtstoffen zur Umwandlung eines höher energetischen Pumplichts zu Nutzlicht längerer Wellenlänge ist schon von Leuchtstofflampen bekannt, bei denen beispielsweise in einem Quecksilbergas erzeugtes UV-Licht durch Leuchtstoff zu sichtbarem Licht konvertiert wird. Der Leuchtstoff ist dabei typischerweise auf einer Innenwand des das Quecksilbergas enthaltenden Entladungsgefäßes vorgesehen.
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Die jüngsten Entwicklungen betreffen Lichtquellen mit beispielsweise verbesserter Energieeffizienz und greifen dabei ebenfalls auf das Prinzip der Konversion eines originär höher energetischen Pumplichts zurück, das etwa von einem LED-Halbleiterbauelement emittiert werden kann. Ferner sind auch Anordnungen bekannt, bei denen eine Lichtquelle hoher Leistungsdichte, etwa ein Laser, mit einer Pumplicht konvertierenden Leuchtstoffanordnung kombiniert wird, welche zu der Pumplichtquelle beabstandet angeordnet ist.
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Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik vorteilhafte Leuchtstoffanordnung anzugeben.
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Darstellung der Erfindung
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Dieses Problem löst erfindungsgemäß ein Leuchtstoffrad zur Umwandlung von Pumplicht zu Konversionslicht, welches für eine Rotation um eine Rotationsachse ausgelegt ist, und auf dem ein erster Leuchtstoff zur Emission von Konversionslicht einer ersten Farbe und ein zweiter Leuchtstoff zur Emission von Konversionslicht einer zweiten Farbe vorgesehen sind, wobei erster und zweiter Leuchtstoff räumlich voneinander getrennt auf dem Leuchtstoffrad angeordnet sind und das Licht des zweiten Leuchtstoffs denselben Farbton wie das Licht des ersten Leuchtstoffs hat.
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Die Anordnung des Leuchtstoffs auf einem Leuchtstoffrad kann vorteilhaft sein, weil die Rotation beispielsweise einen besonders einfachen Wechsel zwischen den Leuchtstoffen ermöglichen kann, wenn etwa nicht das gesamte Rad beleuchtet, sondern immer nur ein Teil davon mit der Rotation durch einen Pumplichtkegel bewegt wird.
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Auf dem erfindungsgemäßen Leuchtstoffrad wird nämlich nicht nur ein erster Leuchtstoff, sondern zusätzlich ein zweiter Leuchtstoff vorgesehen, und zwar desselben Farbtons, der vorzugsweise mit Pumplicht derselben Wellenlänge gepumpt werden kann. „Leuchtstoff” meint hier sowohl einen reinen Leuchtstoff als auch eine Leuchtstoffmischung mehrerer reiner Leuchtstoffe; der erste und der zweite Leuchtstoff können also beispielsweise auch jeweils eine solche Mischung sein, wobei sich die beiden Mischungen dann in zumindest einem reinen Leuchtstoff unterscheiden. Die Leuchtstoffe sind auf dem Leuchtstoffrad räumlich voneinander getrennt angeordnet, also in bezogen auf eine Flächenrichtung des Leuchtstoffrads zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig verschiedenen Bereichen, die besonders bevorzugt lateral aneinandergrenzen (auch ein Überlapp ist prinzipiell denkbar, jedoch nicht bevorzugt).
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Im CIE-Normfarbsystem betrachtet meint „desselben Farbtons”, dass zwei jeweils vom Weißpunkt zu der Farbe des ersten beziehungsweise zweiten Leuchtstoffs gezogene Gerade gemeinsam einen Winkel aufspannen, der in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt kleiner als 90°, 70°, 60°, 50°, 40°, 30° ist. Erster und zweiter Leuchtstoff sind „farbig”, liegen im CIE-Normfarbsystem also nicht im Weißpunkt, sondern in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt dem Betrag nach mindestens 0,05, 0,1, 0,15, 0,2 davon entfernt. Die Farbangaben der Leuchtstoffe beziehen sich vorzugsweise auf eine Pumplichtwellenlänge von in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt mindestens 200 nm, 250 nm, 300 nm, 350 nm, 400 nm, 410 nm, 420 nm, 430 nm und (von dieser Untergrenze unabhängig) von höchstens 800 nm, 750 nm, 700 nm, 650 nm, 600 nm, 550 nm, 500 nm, 490 nm, 480 nm, 470 nm.
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Indem also erfindungsgemäß mindestens zwei Leuchtstoffe desselben Farbtons vorgesehen werden, kann beispielsweise in Abhängigkeit von der konkreten Anforderung der eine oder der andere zur Konversion genutzt werden. Der Erfinder hat nämlich festgestellt, dass manche Leuchtstoffe beispielsweise eine hohe Farbsättigung beziehungsweise einen guten Farbort haben und so hinsichtlich einer Farbwiedergabe vorteilhaft sein können, wohingegen andere Leuchtstoffe aufgrund einer höheren Effizienz und/oder Lebensdauer zu bevorzugen wären. Mit einem erfindungsgemäßen Leuchtstoffrad kann nun beispielsweise situationsabhängig der geeignete Leuchtstoff ausgewählt werden, sodass die entsprechende Beleuchtungseinheit (wenn erforderlich) gute Farbwiedergabeeigenschaften hat und anderenfalls der Einsatz eines degradationsresistenten Leuchtstoffs die Lebensdauer erhöhen oder die Verwendung eines effizienteren Leuchtstoffs den Energieverbrauch reduzieren kann.
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Sofern im Rahmen dieser Offenbarung von einer Pumplichtquelle die Rede ist, schließt dies im Allgemeinen nicht das Vorhandensein einer oder mehrerer weiterer Pumplichtquellen aus, die sich beispielsweise spektral und/oder im Zeitverlauf ergänzen, den Leuchtstoff also auch abwechselnd beleuchten können.
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Für die Verwirklichung der Merkmale des Hauptanspruchs muss auch keine Lichtausbreitung beziehungsweise Pumplichtkonversion erfolgen, sondern soll das Leuchtstoffrad beziehungsweise die Beleuchtungseinheit lediglich entsprechend ausgelegt sein; gleiches gilt für die Rotation des Leuchtstoffrads.
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Der Begriff „Leuchtstoffrad” soll auch nicht implizieren, dass dieses notwendigerweise eine kreisscheiben- oder kreisringförmige Geometrie haben muss, sondern meint im Allgemeinen einen flachen Körper, der in einer Flächenrichtung beispielsweise eine um mindestens das 2-, 5-, 10-, 20-fache größere Erstreckung (bei einer nicht kreisförmigen Geometrie auf den Mittelwert aus kürzester und längster Erstreckung bezogen) als senkrecht dazu haben kann. Der flache Körper kann im Allgemeinen auch gewölbt sein und etwa die Form eines Trichters oder einer Schale haben; vorzugsweise handelt es sich jedoch um einen ebenen Körper, der für eine Rotation um eine sich quer zu der Fläche, vorzugsweise senkrecht dazu erstreckende Rotationsachse ausgelegt ist.
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Das Leuchtstoffrad ist beispielsweise aus einem von dem Leuchtstoff verschiedenen Substrat, etwa aus Metall oder einem Kunststoffmaterial aufgebaut, auf das die Leuchtstoffe aufgebracht sind, etwa durch Dispensen, Aufsprengen, Rakeln, Streichen oder Sprühen einer Leuchtstoffsuspension. Aufgrund der Rotationseignung ist das Substrat vorzugsweise gleichwohl kreisscheibenförmig und ist eine Rotationswelle mit dem Substrat verbunden; die Rotationswelle kann auch mit einem kreisringförmigen Substrat verbunden sein beziehungsweise dieses durchsetzen.
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Ein solches Substrat ist üblicherweise flach ausgebildet, hat also in Flächenrichtung eine größere Erstreckung als senkrecht dazu, etwa um mindestens das 2-, 5-, 10-, 20-fache größer (bei einer nicht kreisförmigen Geometrie auf den Mittelwert aus kürzester und längster Erstreckung bezogen); gleiches gilt für die auf dem Substrat vorgesehene Leuchtstoffschicht, sodass das Leuchtstoffrad insgesamt flächig ist (beispielsweise von Befestigungsmitteln für eine Rotationswelle oder dergleichen abgesehen).
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Das Leuchtstoffrad kann in Transmission und/oder in Reflexion betrieben werden; ein Betrieb in sowohl Transmission als auch Reflexion ist beispielsweise denkbar, wenn ein Leuchtstoff eher dick (Betrieb in Reflexion) und ein anderer demgegenüber dünn (Betrieb in Transmission) aufgetragen wird.
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„Pumplicht” meint im Rahmen dieser Offenbarung zunächst elektromagnetische Strahlung, welche beispielsweise von einem Laser emittiert werden kann und die hinsichtlich ihrer Wellenlänge nicht auf den sichtbaren Bereich beschränkt ist, sondern beispielsweise auch im Ultravioletten oder Infraroten liegen kann; von „Pumplicht” soll jedoch auch Korpuskularstrahlung umfasst sein, etwa Elektronen- oder Ionenstrahlung. Bevorzugt ist jedoch LED- oder Laserstrahlung.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen und der nachstehenden Beschreibung angegeben, wobei die einzelnen Merkmale auch in unterschiedlichen Kombinationen erfindungswesentlich sein können und sich die Beschreibung implizit stets sowohl auf das Leuchtstoffrad als auch eine Beleuchtungseinheit damit, Verfahren zum Betrieb und entsprechende Verwendungen bezieht.
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Eine erste bevorzugte Ausgestaltung betrifft ein Leuchtstoffrad, bei dem die Farbe des zweiten Leuchtstoffs im CIE-Normfarbsystem in x-Richtung weniger als 0,2, vorzugsweise weniger als 0,1, besonders bevorzugt weniger als 0,05, von der Farbe des ersten Leuchtstoffs entfernt ist; von der Entfernung in x-Richtung unabhängig sind die Farben in bevorzugter Ausgestaltung auch in y-Richtung weniger als 0,2, vorzugsweise weniger als 0,1, besonders bevorzugt weniger als 0,05, voneinander entfernt.
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Je näher die Farben von erstem und zweitem Leuchtstoff beieinander liegen, desto weniger fällt beispielsweise einem Nutzer eines Projektionsgeräts eine alternative Verwendung der beiden Leuchtstoffe auf. Dies kann von Interesse und vorteilhaft sein, wenn sich erster und zweiter Leuchtstoff etwa dahingehend unterscheiden, dass der eine aufgrund seiner Quanteneffizienz und der andere wegen besserer Degradationseigenschaften zu bevorzugen wäre, sich die beiden Leuchtstoffe hinsichtlich der Farbe jedoch kaum unterscheiden.
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Mit einem Leuchtstoffrad, auf dem erfindungsgemäß beide Leuchtstoffe vorgesehen sind, könnte dann, wenn jeder Leuchtstoff über die Betriebsdauer jeweils nur anteilig beleuchtet wird, gleichwohl eine Beleuchtungseinheit mit einerseits (aufgrund der guten Quanteneffizienz) reduziertem Energieverbrauch und andererseits hinreichender Lebensdauer realisiert werden. Die Anordnung der beiden Leuchtstoffe räumlich getrennt voneinander kann dabei etwa auch den Vorteil haben, dass im Rahmen einer Wartung ein weniger degradationsresistenter Leuchtstoff unabhängig von dem anderen Leuchtstoff ersetzt werden kann, beispielsweise auch durch ein auf das Leuchtstoffrad aufsetzbares Modul.
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In bevorzugter Ausgestaltung hat die Farbe des zweiten Leuchtstoffs eine höhere Farbsättigung als die Farbe des ersten Leuchtstoffs. Das Leuchtstoffrad kann so beispielsweise als Beleuchtungseinheit eines Projektionsgeräts eingesetzt und je nach Anforderung der eine oder der andere Leuchtstoff betrieben werden, etwa bei Tageslicht und/oder der Wiedergabe von Textinhalten ein erster Leuchtstoff hoher Lichtausbeute und bei abgedunkelten Verhältnissen und/oder der Widergabe von Bildinhalten ein zweiter Leuchtstoff hoher Farbsättigung.
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Selbstverständlich muss dabei nicht notwendigerweise ausschließlich der eine oder der andere Leuchtstoff betrieben werden, sondern können auch beide Leuchtstoffe Konversionslicht anteilig zur Verfügung stellen. Einen Leuchtstoff „betreiben” meint also, diesen zur Erzeugung von Konversionslicht einzusetzen, das in diesem Zeitpunkt auch einer weiteren Verwendung zugeführt wird. In bevorzugter Ausgestaltung wird allerdings auch nur der Leuchtstoff mit Pumplicht beleuchtet, dessen Konversionslicht tatsächlich genutzt werden soll (abgesehen von Streueffekten).
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In weiterer Ausgestaltung liegen die Farbe des zweiten Leuchtstoffs und jene des ersten Leuchtstoffs im CIE-Normfarbsystem mit dem Weißpunkt auf einer gemeinsamen Gerade, weil auf einer entsprechenden Gerade die Farbsättigung bei gleichbleibendem Farbton zur Spektralfarblinie/Purpurlinie hin zunimmt. Dabei sollen auch Punkte als „auf einer gemeinsamen Gerade liegend” gelten, die zu einer gemeinsamen Ausgleichsgerade jeweils einen Abstand haben, der dem Betrag nach nicht größer als 0,05, vorzugsweise nicht größer als 0,02 beziehungsweise 0,01, ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform betrifft ein Leuchtstoffrad, mit neben dem ersten Leuchtstoff zwei zusätzlichen ersten Leuchtstoffen, wobei die Farben der drei ersten Leuchtstoffe gemeinsam einen RGB-Farbraum aufspannen. Ferner spannt auch die Farbe des zweiten Leuchtstoffs mit den Farben der beiden zusätzlichen ersten Leuchtstoffe einen RGB-Farbraum auf, wobei sich die mit erstem und zweitem Leuchtstoff aufgespannten Farbräume im CIE-Normfarbsystem in ihrer Fläche um mindesten 5% unterscheiden, vorzugsweise mindestens 10% besonders bevorzugt mindestens 20%.
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Verglichen werden also die Flächen zweier im CIE-Normfarbsystem aufgespannter Dreiecke, in denen jeweils der Weißpunkt liegt. Das Dreieck größerer Fläche kann beispielsweise jenes mit dem zweiten Leuchtstoff sein und sich etwa besser zur Farbwiedergabe, also beispielsweise der Darstellung von Bildinhalten, eignen; der erste (nicht zusätzliche) Leuchtstoff des kleineren Dreiecks kann wiederum hinsichtlich seiner Degradationseigenschaften Vorteile bieten.
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Generell liegt der Farbton von erstem und weiterem Leuchtstoff vorzugsweise im Roten und besonders bevorzugt im Grünen. Eine Ergänzung im grünen Spektralbereich ist besonders vorteilhaft, weil von den gegenwärtig bekannten Leuchtstoffen (auf welche sich der Erfindungsgedanke gleichwohl nicht beschränkt) jene im grünen Spektralbereich eher weniger effizient sind. Es kann also beispielsweise ein Leuchtstoffrad mit zwei roten oder vorzugsweise zwei grünen Leuchtstoffen vorgesehen werden; andererseits kann der zweite Leuchtstoff auch in vorstehend beschriebener Weise drei einen RGB-Farbraum aufspannende erste Leuchtstoffe ergänzen, und zwar besonders bevorzugt im Grünen.
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Auf einem Leuchtstoffrad mit drei ersten Leuchtstoffen kann neben dem ersten (stets ergänzten) Leuchtstoff auch einer der zusätzlichen ersten Leuchtstoffe durch einen zusätzlichen zweiten Leuchtstoff ergänzt werden, sodass also fünf Leuchtstoffe in drei Farbtönen vorgesehen wären; auch einen Ergänzung aller drei ersten Leuchtstoffe ist möglich. Ferner können auch im Allgemeinen, also unabhängig von einem RGB-Farbraum, mehrere (mindestens zwei) erste Leuchtstoffe vorgesehen sein, von denen einer oder beispielsweise auch alle von jeweils einem zweiten Leuchtstoff ergänzt werden. Es können beispielsweise auch innerhalb eines Farbtons eine Vielzahl (mehr als zwei) Leuchtstoffe vorgesehen sein; bevorzugt ist gleichwohl ein Leuchtstoffrad mit einem ersten und genau einem zweiten Leuchtstoff (auf dem auch mehrere erste Leuchtstoffe vorgesehen sein können, vorzugsweise drei).
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Generell ist die Erfindung selbstverständlich nicht auf einen RGB-Farbraum beschränkt; es kann beispielsweise auch eine Farbe eines 2er oder 4er Farbraums ergänzt werden (ein 4er Farbraum kann beispielweise auch ein RGB-Farbraum mit einer weiteren Farbe sein, etwa mit Gelb).
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Sofern von einem RGB-Farbraum die Rede ist, kann im CIE-Normfarbsystem „Rot” vorzugsweise bei einem x-Wert von 0,64 und einem y-Wert von 0,33 liegen; „Grün” findet sich vorzugsweise bei einem x-Wert von 0,30 und einem y-Wert von 0,60, „Blau” hingegen bei einem x-Wert von 0,15 und einem y-Wert von 0,06. Dies illustriert jedoch nur einen möglichen Farbraum, es können also jeweils auch Abweichungen möglich sein, etwa um den Betrag nach in dieser Reihenfolge zunehmend bevorzugt höchstens 0,2, 0,1, 0,05.
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Der erste und der zweite Leuchtstoff können auf dem Leuchtstoffrad beispielsweise in radialer Richtung aufeinander folgend angeordnet sein, also etwa auf einem entsprechenden Substrat als ineinander geschachtelte Ringe vorgesehen werden.
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In bevorzugter Ausgestaltung sind bei einem erfindungsgemäßen Leuchtstoffrad erster und zweiter Leuchtstoff in Umlaufrichtung aufeinander folgend angeordnet, vorzugsweise derart auf einem Substrat vorgesehen. Die Leuchtstoffe können also beispielsweise in Kreissektoren beziehungsweise Kreisringsektoren angeordnet sein, die vorzugsweise aneinander grenzen, besonders bevorzugt unmittelbar.
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Ein Vorteil eines solchen Leuchtstoffrads kann zum Beispiel darin bestehen, dass die Auswahl des jeweils zu betreibenden Leuchtstoffs über die zeitliche Steuerung der Pumplichtquelle (oder einen entsprechenden Shutter) erfolgen kann, und zwar beispielsweise auch bei unveränderter Relativanordnung der optischen Komponenten (Pumplichtquelle, Leuchtstoffrad, Spiegel, Linsen etc.). Dies kann etwa hinsichtlich der Auslegung einer entsprechenden Beleuchtungseinheit vorteilhaft sein, weil nicht zwei Pumplichtwege berücksichtigt werden müssen.
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Generell betrifft die Erfindung nämlich auch eine Beleuchtungseinheit, also eine Anordnung aus Leuchtstoffrad und Pumplichtquelle (auch mehreren Pumplichtquellen), gegebenenfalls ergänzt durch weitere, vorstehend genannte optische Komponenten.
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Ein Leuchtstoffrad mit in Umlaufrichtung aufeinander folgenden Leuchtstoffen wird also vorzugsweise derart betrieben, dass, bezogen auf eine vollständige Drehung des Leuchtstoffrads um 360°, Pumplicht nur zu einem Anteil der für die Drehung notwendigen Zeitdauer eingestrahlt wird. Dieser Erfindungsgedanke ist jedoch nicht auf ein Leuchtstoffrad mit umlaufend aufeinander folgenden Leuchtstoffen beschränkt und wird auch unabhängig von den Merkmalen des Hauptanspruchs als Erfindung gesehen und soll in dieser Form offenbart sein, betrifft also beispielsweise auch ein Leuchtstoffrad mit nur einem Leuchtstoff. Vorzugsweise erfolgt die je Umdrehung nur anteilige Beleuchtung dabei aus Gründen der Energieeffizienz über eine entsprechende Steuerung der Pumplichtquelle.
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In weiterer und gleichermaßen unabhängig von den Merkmalen des Hauptanspruchs als Erfindung erachteter Ausgestaltung wird bei zwei aufeinanderfolgenden Drehungen des Leuchtstoffrads derselbe Leuchtstoff beleuchtet, unterscheiden sich dabei jedoch die je Umdrehung beleuchteten Bereiche des Leuchtstoffs zumindest teilweise. Es kann also beispielsweise bei der ersten Umdrehung ein Kreisringsegment des Leuchtstoffrads beleuchtet werden und bei der folgenden Umdrehung ein dazu um einen Winkel versetztes Kreisringsegment; die Kreisringsegmente können auch teilweise überlappen. Ein Vorteil dieser Betriebsart kann etwa darin bestehen, dass, wenn jeweils ein Bereich nicht mit Pumplicht beleuchtet wird, dieser etwas abkühlt, was hinsichtlich der Degradation vorteilhaft sein kann.
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Besonders bevorzugt wird ein Leuchtstoffrad mit in Umlaufrichtung aufeinander folgend angeordneten Leuchtstoffen derart unterbrochen mit Pumplicht beleuchtet, dass bei einer vollständigen Umdrehung ausschließlich der erste oder ausschließlich der zweite Leuchtstoff beleuchtet wird. Üblicherweise wird dann bei entsprechender Rotationsgeschwindigkeit des Leuchtstoffrads der entsprechende Leuchtstoff über eine Vielzahl Umdrehungen ausschließlich beleuchtet, erfolgt also ein Wechsel des betriebenen Leuchtstoffs jeweils nach einer Vielzahl Umdrehungen.
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Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines vorstehend beschriebenen Leuchtstoffrads oder einer entsprechenden Beleuchtungseinheit für ein Projektionsgerät, ein Endoskop, Raumbeleuchtungszwecke oder im Allgemeinen industrielle beziehungsweise medizinische Anwendungen.
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Besonders bevorzugt ist die Verwendung für ein Projektionsgerät, und zwar in Verbindung mit einer situationsbedingt erfolgenden Auswahl von erstem oder weiterem Leuchtstoff. Die Auswahl kann also etwa wie vorstehend beschrieben auf Grundlage des wiedergegebenen Inhalts (Textinhalte oder Bildwiedergabe) und/oder anhand der Umgebungslichtbedingungen erfolgen. Letztere können beispielsweise auch mit einem Sensor gemessen werden, sodass die Auswahl automatisiert erfolgt.
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Besonders bevorzugt wird zur Wiedergabe von Textinhalten ein erster Leuchtstoff ausgewählt, der eine geringere Degradation/höhere Stabilität als der zweite Leuchtstoff zeigt, und zu der Darstellung von Bildinhalten der zweite Leuchtstoff, der Licht mit besserem Farbort emittiert als der erste Leuchtstoff. Generell betrifft der Begriff ”Stabilität” die zeitliche Konstanz der Konversionseigenschaften des Leuchtstoffs, ist die Stabilität also hoch, wenn die Konversionseffizienz im zeitlichen Verlauf allenfalls geringfügig abnimmt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:
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1 ein Leuchtstoffrad mit drei ersten und einem zweiten Leuchtstoff;
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2 zwei RGB-Farbräume im CIE-Normfarbsystem, und zwar mit erstem und zweitem grünen Leuchtstoff;
Tab. 1 Beispiele für Leuchtstoffe mit grünem Farbton;
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3 eine mögliche Taktung zwischen der Rotation eines erfindungsgemäßen Leuchtstoffrads und dessen Beleuchtung mit Pumplicht;
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4 ein Hybridsystem mit einem Leuchtstoffrad-Kanal und einem LED-Kanal;
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5 ein Hybridsystem mit einem Leuchtstoffrad-Kanal und zwei LED-Kanälen.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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1 zeigt in schematischer Darstellung ein Leuchtstoffrad 1, das um eine Rotationsachse 2 rotiert. Der Leuchtstoff ist auf einem Substrat 10 aus Metall vorgesehen, also auf einer dünnen Metallscheibe; an der Metallscheibe ist eine (nicht gezeigte) Drehwelle befestigt, mittels welcher das Leuchtstoffrad 1 in Rotation versetzt werden kann.
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Der Leuchtstoff ist auf dem Leuchtstoffrad 1 kreisringförmig angeordnet, und zwar auf vier, jeweils 90° einnehmende Kreisringsektoren (Quadranten) verteilt. Dabei sind ein erster grüner Leuchtstoff 3a und ein zweiter grüner Leuchtstoff 4 in zwei benachbarten Quadranten angeordnet und ist in den beiden anderen Quadranten jeweils ein weiterer erster Leuchtstoff 3b, c angeordnet, nämlich ein zur Emission von rotem Licht ausgelegter erster Leuchtstoff 3b und ein zur Emission von blauem Licht ausgelegter erster Leuchtstoff 3c.
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Mit optischen Elementen wird von einem Laser emittiertes Pumplicht auf das Leuchtstoffrad 1 gelenkt, sodass auf dieses ein Pumplichtkegel 5 fällt. Mit der Rotation des Leuchtstoffrads 1 werden nun die verschiedenen Leuchtstoffe durch den Pumplichtkegel 5 bewegt, wobei das von den einzelnen Leuchtstoffen emittierte Konversionslicht dann selektiv über ein Mikrospiegelarray in eine Bildfläche reflektiert und so ein Bild- beziehungsweise Textinhalt mittels eines Projektionsgeräts wiedergegeben wird.
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Über eine Steuerung des Lasers wird das Pumplicht dabei in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit so unterbrochen, dass bei einer Umdrehung des Leuchtstoffrads 1 entweder der erste grüne Leuchtstoff 3a oder der zweite grüne Leuchtstoff 4 beleuchtet wird. Der erste Leuchtstoff 3a zeichnet sich durch eine hohe Stabilität aus (vergleiche die Anmerkungen zu Tabelle 1) und wird deshalb ausgewählt, wenn es bei dem mit dem Projektionsgerät wiedergegebenen Inhalten nicht auf eine besonders gute Farbwiedergabe ankommt.
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Der zweite Leuchtstoff 4, der sich durch einen guten Farbort im Grünen auszeichnet, jedoch nur eine geringe Stabilität hat, wird hingegen nur ausgewählt, wenn Bildinhalte mit hoher Farbsättigung wiedergegeben werden sollen; die Auswahl kann beispielsweise der Benutzer direkt an dem Projektionsgerät treffen. Im Gesamten wird so die Lebensdauer des Projektionsgeräts erhöht, und zwar soweit erforderlich ohne Einbußen bei der Farbwiedergabe.
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Alternativ zu dem in 1 gezeigten Leuchtstoffrad 1, auf dem alle den RGB-Farbraum aufspannenden Leuchtstoffe vorgesehen sind, können auf einem Leuchtstoffrad 1 auch nur der erste und der zweite grüne Leuchtstoff 3a, 4 vorgesehen und die übrigen Farben beispielsweise von LED-Lichtquellen zur Verfügung gestellt werden. Wird das Leuchtstoffrad 1 dann wiederum mit einem Laser gepumpt, liegt aufgrund der Kombination von Laser- und LED-Lichtquellen ein sogenanntes Hybridsystem vor. Bei einem solchen Leuchtstoffrad mit nur zwei Leuchtstoffen könnte jeder Leuchtstoff beispielsweise eine Hälfte des Kreisrings einnehmen und die Auswahl von erstem oder zweitem grünen Leuchtstoff 3a, 4 wiederum durch eine entsprechend unterbrochene Pumplichtbeleuchtung erfolgen.
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2 zeigt den Farbort von drei ersten Leuchtstoffen 3a, b, c und einem zweiten Leuchtstoff 4 in einer CIE-Normfarbtafel aufgetragen. Die sogenannte Spektralfarblinie 21 fasst zusammen mit der Purpurlinie 22 die Gesamtheit möglicher Farben ein, wobei die Farbsättigung von dem mittigen Weißpunkt 23 zur Spektralfarblinie 21 beziehungsweise Purpurlinie 22 hin jeweils zunimmt. Für eine grobe Orientierung finden sich in der rechten Ecke der Hufeisenform die roten, oben die grünen und links unten die blauen Farbtöne.
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Erster und zweiter grüner Leuchtstoff 3a, 4 spannen jeweils zusammen mit den beiden weiteren ersten Leuchtstoffen 3b, c einen RGB-Farbraum auf. Die mit einem entsprechenden Projektionsgerät darstellbaren Farben beschränken sich also auf die jeweils innerhalb des Dreiecks liegenden Farben; mit dem zweiten grünen Leuchtstoff 4 wird das Dreieck zu der Spektralfarblinie hin (die Farbsättigung nimmt in dieser Richtung zu) vergrößert und werden dementsprechend die Möglichkeiten der Farbwiedergabe erweitert.
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In Tabelle 1 sind sechs Leuchtstoffe zusammengestellt, die, weil sie aus jeweils unterschiedlichen Gründen Vorteile bieten, paarweise auf einem Leuchtstoffrad kombiniert besonders vorteilhaft sein können. Die Leuchtstoffe werden bei einer Pumplichtwellenlänge von etwa 450 nm gepumpt.
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Die drei Granatleuchtstoffe zeichnen sich durch eine hohe Stabilität aus, das heißt selbst bei hohen Intensitäten (mehr als 10 W/mm2) und bei hohen Temperaturen (mehr als 200°C) kommt es zu keiner relevanten chemischen Veränderung des Leuchtstoffs (innerhalb eines Beobachtungszeitraums von 1000 Stunden). Ein Nachteil der Granatleuchtstoffe ist jedoch der schlechte Farbort, was bei der Wiedergabe von Bildinhalten nachteilig sein kann.
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Deshalb kann ein als erster Leuchtstoff 3a vorgesehener Granatleuchtstoff beispielsweise durch einen als zweiter Leuchtstoff 4 vorgesehenen Silikatleuchtstoff ergänzt werden, etwa durch Chlorsilikat oder Lu, N-dotiertes Silikat. Diese Silikatleuchtstoffe zeichnen sich nämlich durch einen guten Farbort im Grünen aus; da sie jedoch eine nur geringe Stabilität haben, wäre die Lebensdauer einer Beleuchtungseinheit mit ausschließlich einem solchen Silikatleuchtstoff entsprechend begrenzt. Indem nun erfindungsgemäß Granat- und Silikatleuchtstoff kombiniert und je nach Bedarf ausgewählt werden, lassen sich gute Farbwiedergabeeigenschaften und eine hinreichende Lebensdauer gleichermaßen erreichen.
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Es könnte beispielsweise auch ein Silikatleuchtstoff mit einem Eu2+-dotierten SiON-Leuchtstoff kombiniert werden, weil der Silikatleuchtstoff nur eine geringe Effizienz hat, also der je Pumpleistung erhaltende Lichtstrom des Konversionslichts eher gering ist; dementsprechend wäre der Energiebedarf einer solchen Beleuchtungseinheit erhöht.
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Der SiON-Leuchtstoff hat hingegen eine sehr hohe Effizienz, jedoch nur einen mittelmäßigen Farbort im Grünen. Bei einem Leuchtstoffrad mit sowohl Silikat- als auch SiON-Leuchtstoff kann nur bei Bedarf, also wenn zur Wiedergabe von Bildinhalten ein guter Farbort notwendig ist, der hinsichtlich des Energieverbrauchs nachteilige Silikatleuchtstoff und anderenfalls der SiON-Leuchtstoff ausgewählt werden. In der Gesamtschau kann dies bei dennoch guten Farbwiedergabemöglichkeiten den Energieverbrauch reduzieren helfen.
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3a zeigt ein in zwei jeweils 180° einnehmende Kreissegmente unterteiltes Leuchtstoffrad 1; in einem Kreissegment ist der erste Leuchtstoff 3a und in dem anderen Kreissegment der zweite Leuchtstoff 4 vorgesehen. Mit der Rotation wird der Leuchtstoff wie anhand von 1 erläutert durch einen hier nicht gezeigten Pumplichtkegel bewegt.
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Dabei veranschaulicht der neben dem Leuchtstoffrad 1 abgebildete Graph die zeitliche Ansteuerung der Pumplichtquelle (das Pumplicht könnte auch mit einem entsprechend getakteten Shutter in gleicher Weise unterbrochen werden). Die Pumplichtbeleuchtung erfolgt in diesem und den folgenden Fällen bei der 0°-Position, der Pumplichtkegel fällt also oben auf das Leuchtstoffrad (12-Uhr-Position).
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Die Pumplichtbeleuchtung ist mit der Rotation des Leuchtstoffrads getaktet, sodass bei der ersten Drehung um 360° nur während der ersten 180°-Teildrehung Pumplicht auf das Leuchtstoffrad fällt, also nur der erste Leuchtstoff 3a beleuchtet wird. Bei der anschließenden 360°-Drehung wird erst bei der zweiten 180°-Teildrehung mit Pumplicht beleuchtet, sodass also der zweite Leuchtstoff 4 betrieben wird. Bei dieser Ausführungsform wird also bei jeder Drehung entweder der erste oder der zweite Leuchtstoff 3a, 4 und bei zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen immer der jeweils andere beleuchtet.
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3b zeigt ein in vier Quadranten unterteiltes Leuchtstoffrad 1, in dessen Quadranten zwei erste Leuchtstoffe 3a, b vorgesehen sind, die jeweils von einem zweiten Leuchtstoff 4a, b ergänzt werden. In dem Graphen neben dem Leuchtstoffrad ist eine Taktung der Pumplichtquelle gezeigt, die von Umdrehung zu Umdrehung zwischen der Beleuchtung der ersten und der zweiten Leuchtstoffe 3a, b, 4a, b wechselt. Es werden also bei der ersten Umdrehung allein die zweiten Leuchtstoffe 4a, b und bei der zweiten Umdrehung ausschließlich die ersten Leuchtstoffe 3a, b beleuchtet (was im Ergebnis zu einer wie im Falle der 1a mit jeder Umdrehung wechselnden Beleuchtung führt).
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Selbstverständlich kann/können auch über eine Vielzahl Umdrehungen jeweils der/die erste(n) Leuchtstoff(e) 3a, b oder der/die zweite(n) Leuchtstoff(e) 4a, b beleuchtet werden; insofern würde die in 3 dargestellte Taktung (zwischen 0° und 720°) dann einem Wechsel der Beleuchtung entsprechen, etwa einem Umschalten von einem Leuchtstoff hoher Stabilität zu einem Leuchtstoff mit gutem Farbort (oder umgekehrt).
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4 zeigt ein Hybridsystem, nämlich ein Leuchtstoffrad 1, dessen Konversionslicht durch LED-Licht ergänzt wird. Das LED-Licht wird als eigener Kanal (LED-Kanal) dem Konversionslicht des Leuchtstoffrads (LARP-Kanal; Laser Activated Remote Phosphor) zugemischt; die Lichtmischung kann dabei in einem von dem Leuchtstoffrad verschiedenen optischen Element, etwa einer Nichtabbildenden Optik, oder auch beim Leuchtstoffrad erfolgen, wenn dieses beispielsweise eine Aussparung zur Einkopplung des LED-Kanals in Transmission oder eine reflektierende Fläche zur Einkopplung in Reflexion aufweist.
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Generell können in einem solchen Fall die unterschiedlichen Kanäle unterschiedliche Farben haben, kann also beispielsweise ein roter LED-Kanal (gegebenenfalls zusammen mit einem weiteren, blauen LED-Kanal) gemeinsam mit einem grünen Leuchtstoffrad-Kanal vorgesehen sein.
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Die Allgemeinheit des Erfindungsgedankens, insbesondere hinsichtlich der Taktung der Pumplichtbeleuchtung („unterbrochener Betrieb des Leuchtstoffrads”), lässt sich jedoch auch im Falle eines einfarbigen Leuchtstoffrads in Verbindung mit einem LED-Kanal desselben Farbtons illustrieren. Das Leuchtstoffrad muss auch nicht zwingend tatsächlich in zwei Leuchtstoffbereiche unterteilt sein, die „Unterteilung” könnte durch eine entsprechende Beleuchtung auch virtuell erfolgen.
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Die Graphen illustrieren nämlich, wie sich Leuchtstoffrad und LED ergänzen können, wobei im ersten Fall (die beiden oberen Graphen) der zeitliche Anteil des LED-Kanals größer ist. Dadurch muss also das Leuchtstoffrad auch nur entsprechend kürzer beleuchtet werden (verglichen mit dem zweiten Fall, also den mittleren beiden Graphen), was den Leuchtstoff schonen und sich so beispielsweise hinsichtlich einer Lebensdauer der Beleuchtungseinheit positiv auswirken kann.
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Dabei kann es ferner vorteilhaft sein, wenn bei zwei aufeinanderfolgenden Umdrehungen nicht derselbe Leuchtstoffbereich beleuchtet wird (in 4 nicht gezeigt), der zuvor beleuchtete Leuchtstoffbereich also mehr als eine Umdrehung Zeit hat, abzukühlen. Ein Betriebsmodus mit einem höheren LED-Anteil kann beispielsweise von Interesse sein, wenn kein hoher Lichtstrom notwendig ist.
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Demgegenüber ist im zweiten Fall (die mittleren beiden Graphen) der mittlere Leuchtstoffrad-Anteil höher und der Anteil des in den Pausezeiten zugeschalteten LED-Lichts geringer; dieser Betriebsmodus kann also beispielsweise gewählt werden, wenn ein hoher Lichtstrom oder (je nach auf dem Leuchtstoffrad vorgesehenen Leuchtstoff) auch ein guter Farbort erforderlich ist.
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Der dritte Fall, also die beiden unteren Graphen, sollen illustrieren, dass Leuchtstoffrad-Kanal und LED-Kanal im Allgemeinen auch mit einem gewissen Überlapp betrieben werden können. Dieser wird gleichwohl vorzugsweise möglichst gering gehalten, auch aus Gründen der Energieeffizienz.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem erfindungsgemäßen Leuchtstoffrad 1, auf dem in einem ersten Kreissegment der erste Leuchtstoff 3a und in einem zweiten, zu dem ersten komplementären Kreissegment der zweite Leuchtstoff 4 vorgesehen sind. Mit den Graphen werden Schaltschemata eines Projektionsgeräts, konkret eines DLP-Projektors (Digital Light Processing), veranschaulicht; das Leuchtstoffrad wird wiederum mit einem Laser gepumpt, und dieser Leuchtstoffrad-Kanal (Grün 1/Grün 2) ist mit zwei LED-Kanälen (Rot, Blau) zu einem Mehrkanal-Hybridsystem (Rot, Grün 1/Grün 2, Blau) kombiniert.
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Die oberen drei Graphen illustrieren einen ersten Betriebsmodus, in dem die Rotation des Leuchtstoffrads 1 und die Pumplichtquelle so getaktet sind, dass bei jeder Umdrehung ausschließlich der erste Leuchtstoff 3a betrieben wird. Bei dem ersten Leuchtstoff 3a handelt es sich um einen Granatleuchtstoff, und der erste Betriebsmodus ist dementsprechend nicht auf eine Farbwiedergabe hin optimiert, sondern ist aufgrund der hohen Stabilität des Granatleuchtstoffs hinsichtlich der Gesamtlebensdauer der Beleuchtungseinheit vorteilhaft; zudem hat der Granatleuchtstoff eine hohe Effizienz, ist im ersten Betriebsmodus also der Lichtstrom des Konversionslichts entsprechend hoch (bzw. der Energieverbrauch gering). Auch in Verbindung mit dem bezogen auf eine 360°-Umdrehung jenseits der 180° liegenden Anteil (der erste Leuchtstoff 3a nimmt mehr als die Hälfte des Leuchtstoffrads 1 ein) ist der erste Betriebsmodus auf einen hohen Lichtstrom hin optimiert.
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Im zweiten Betriebsmodus (die unteren drei Graphen) wird der zweite Leuchtstoff 4, ein Silikat-Leuchtstoff, betrieben; aufgrund dessen guten Farborts ist der zweite Betriebsmodus für eine Farbwiedergabe optimiert.
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In beiden Betriebsmodi werden die Pausezeiten des Leuchtstoffrad-Kanals mit den LED-Kanälen gefüllt; an die in den Graphen illustrierte Taktung ist auch die Taktung eines Mikrospiegelarrays (DMD) angepasst, dem das Licht der Kanäle über ein optisches System zugeführt wird. Das Mikrospiegelarray reflektiert während der einzelnen, jeweils der Einschaltzeit eines Kanals entsprechenden Intervalle selektiv Licht in verschiedenen Bildpunkten, was im Ergebnis zu einer Bildwiedergabe in der Projektionsfläche führt.
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