DE102012219387B4

DE102012219387B4 - Beleuchtungsvorrichtung mit Pumplichtquelle und Leuchtstoffanordnung und Verfahren zum Betreiben einer solchen Beleuchtungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102012219387B4
Application number: DE102012219387.1A
Authority: DE
Inventors: Henning Rehn
Original assignee: Coretronic Corp
Current assignee: Coretronic Corp
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2022-03-24
Anticipated expiration: 2032-10-25
Also published as: US9366413B2; CN103777355A; CN103777355B; DE102012219387A1; US20140111967A1

Abstract

Beleuchtungsvorrichtung (1), umfassend eine Pumplichtquelle (2), eine Leuchtstoffanordnung (4) und ein Lichtsteuerelement (3), das zwischen der Pumplichtquelle (2) und der Leuchtstoffanordnung (4) angeordnet ist, wobei
- das Lichtsteuerelement (3) geeignet ist, den Pumplichtstrahl in einen reflektierten Teil und einen transmittierten Teil aufzuteilen und das Verhältnis zwischen reflektiertem Teil und transmittiertem Teil zu steuern,
- die Leuchtstoffanordnung (4) mindestens einen Leuchtstoff (R, Y, G) aufweist, der mit dem reflektierten Teil und/oder transmittierten Teil des Pumplichts der Pumplichtquelle (2) bestrahlbar ist und dieses Pumplicht zumindest teilweise wellenlängenumgewandelt wieder abstrahlt, wobei das Lichtsteuerelement (3) eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist, und wobei die Vorderseite einen Bereich umfasst, der für das Pumplicht reflektierend ausgelegt ist, und wobei der Bereich der Vorderseite für das wellenlängenumgewandelte Licht transparent ausgelegt ist.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Pumplichtquelle und einer Leuchtstoffanordnung zur Umwandlung zumindest eines Teils des Pumplichts in Konversionslicht.
Die Erfindung ist insbesondere anwendbar für Leuchten mit Farbsteuerung, beispielsweise für Lichteffekte in der Unterhaltungsindustrie, also unter anderem für Bühnen und Filmstudios, aber auch in Empfangshallen, Verkaufsräumen etc.
Stand der Technik
Lichtquellen mit hohem Lichtstrom und hoher Leuchtdichte finden in den verschiedensten Bereichen Anwendung, etwa für Leuchten in der Unterhaltungsindustrie, wobei hierfür Gasentladungslampen gegenwärtig am weitesten verbreitet sind.
Bei Beleuchtungsanwendungen auf Basis der grundsätzlich bekannten LARP („Laser Activated Remote Phosphor“) -Technologie wird ein Leuchtstoff von einem zu diesem entfernt angeordneten Laser angeregt. Dabei wird die auf den Leuchtstoff treffende Laserstrahlung von dem Leuchtstoff mittels Wellenlängenkonversion zumindest teilweise in ein wellenlängenumgewandeltes Nutzlicht umgewandelt.
Das von den Leuchtstoffen wellenlängenumgewandelte Licht (Konversionslicht) wird üblicherweise mit einer optischen Vorrichtung, z.B. Reflektor, Sammellinse oder TIR-Optik (TIR: Total Internal Reflection; z.B. konischer Glasstab), eingesammelt und für die betreffende Anwendung weiterverwendet.
Insbesondere bei Beleuchtungsanwendungen im Unterhaltungsbereich besteht Bedarf, die Lichtfarbe einstellen bzw. ändern zu können, beispielsweise um Farblichteffekte zu erzielen.
US 2011 / 0 122 627 A1 zeigt eine Beleuchtungsvorrichtung mit einer Laserquelle zur Emission von Laserlicht.
WO 2012 / 004 713 A1 zeigt ein Projektionssystem mit einer Projektionslichtquelle, eine Optik und ein lumineszierendes Material.
US 4 461 573 A zeigt eine Spektralfluorometer-Anordnung mit einer Laserlichtquelle und einem zwischen die Laserlichtquelle und einem abstimmbaren Farbstofflaser geschalteten Strahlleiter.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Beleuchtungsvorrichtung der gattungsgemäßen Art mit einstellbarer Lichtfarbebereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Beleuchtungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Außerdem wird die Aufgabe hinsichtlich ihrer Aspekte zum Betreiben der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruchs.
Die im Folgenden für die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung und deren Ausgestaltungsmöglichkeiten beschriebenen Merkmale und deren Vorteile gelten in analoger Weise, soweit anwendbar, auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, den Anteil des Pumplichts, der für eine Leuchtstoffkonversion abgezweigt wird, mit Hilfe eines Lichtsteuerelements zu Steuern. Dadurch lässt sich der Farbton des Mischlichts, das durch Zusammenführen des wellenlängenumgewandelten Lichtsund des restlichen Pumplichts, letzteres gegebenenfalls nach weiterer Leuchtstoffkonversion, gewonnen wird, steuern.
Dazu ist das Lichtsteuerelement dazu ausgelegt, den Pumplichtstrahl in einen reflektierten Teil und einen transmittierten Teil aufzuteilen und das Verhältnis zwischen reflektiertem Teil und transmittiertem Teil zu steuern. Das Verhältnis ist generell beliebig einstellbar und soll insbesondere auch die Grenzwerte 100% reflektierter Anteil und 0% transmittierter Anteil (alles Pumplicht wird vom Lichtsteuerelement reflektiert, d.h. kein Pumplicht wird vom Lichtsteuerelement transmittiert) bzw. umgekehrt umfassen.
Mit anderen Worten lässt sich prinzipiell der Farbort des von der erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung emittierten Lichts so steuern, dass Farblicht (Licht mit einer Lichtfarbe wie beispielsweise blau, grün, gelb, rot) oder auch Weißlicht mit unterschiedlichen CCT (Correlated ColourTemperature) bzw. Farbkoordinaten eines Farbdiagramms (beispielsweise CIE-Normtafel) resultieren kann. Die verwendeten Leuchtstoffe sowie das Spektrum des Pumplichts spannen einen Farbraum auf, innerhalb dem der Farbort des resultierenden Lichts gesteuert werden kann.
Der Begriff „Steuern“ soll im Zusammenhang mit dieser Erfindung sowohl ein einmaliges oder sporadisches Einstellen des Verhältnisses als auch ein periodisches bzw. kontinuierliches Ändern, beispielsweise aufgrund eines geeigneten Steuerprogramms oder eines Regelsignals von einem Lichtfarbdetektor, umfassen. Insbesondere kann die Regeleinheit aufgrund eines soft- oder hardwaremäßig installierten Regelprogramms definierte Stellungen der Lichtsteuerelemente sequentiell und/ oder synchron herbeiführen, so dass bestimmte Farbtemperaturen oder Koordination im CIE-Farbdiagramm gezielt eingestellt werden können. Die Lichtsteuerelemente können auch moduliert betrieben werden, so dass sie beispielsweise zwischen zwei oder mehreren Stellung periodisch hin und her wechseln. Die genaue Lageeinstellung der Lichtsteuerelemente kann mittels Rückkopplung über optische Sensoren, beispielsweise im Strahlengang des Konversionslichts eingebrachte Lichtsensoren, präzisiert bzw. korrigiert werden.
Für die Aufspaltung des Pumplichtstrahls umfasst das Lichtsteuerelement einen Bereich, der für das Pumplicht reflektierend ausgelegt ist. Das Lichtsteuerelement weist eine Vorderseite und eine Rückseite auf, wobei die Vorderseite mit einem das Pumplicht reflektierenden Bereich versehen ist. Dieser Bereich ist für das wellenlängenumgewandelte Licht transparent ausgelegt. In diesem Fall ist der Bereich also als dichroitischer Spiegel ausgebildet.
Das Lichtsteuerelement kann im Pumplichtstrahl so angeordnet sein, dass der Bereich der Vorderseite nur einen Teil des auftreffenden Pumplichts auf den Leuchtstoff der ihr zugeordneten Leuchtstoffanordnung reflektiert. In diesem Fall trifft nur ein Teil des Pumplichtstrahl auf den reflektierenden Bereich.
Außerdem kann die Vorderseite des Lichtsteuerelements einen zweiten Bereich umfassen, der für das Pumplicht und das wellenlängenumgewandelte Licht transparent ausgelegt ist. Dabei kann das Lichtsteuerelement so angeordnet sein, dass ein Teil des Pumplichtstrahls auf den ersten (reflektierenden) Bereich fällt und der andere Teil auf den zweiten (transmittierenden) Bereich.
Für eine Steuerung der Größe der bestrahlten Fläche des Lichtsteuerelements und/oder des Verhältnisses der bestrahlten Flächen beider Bereiche kann das Lichtsteuerelement bewegbar ausgebildet sein, insbesondere für eine translatorische oder rotierende Bewegung.
Die Rückseite des Lichtsteuerelements kann einen Bereich umfassen, der für das wellenlängenumgewandelte Licht reflektierend ausgelegt ist. Die Rückseite des Lichtsteuerelements kann auch einen Bereich umfassen, der für das Pumplicht reflektierend ausgelegt ist. Die beiden Bereiche können auch identisch sein.
Im einfachsten Fall weist die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung im wesentlichen nur ein Lichtsteuerelement und eine zugeordnete Leuchtstoffanordnung auf. Dabei dient ein Teil des Pumplichts für die Erzeugung eines ersten Farblichts, beispielsweise gelbes Licht. Dazu ist das Lichtsteuerelement so angeordnet, dass es in den Pumplichtstrahl nur teilweise hineinragt. Dadurch wird ein erster Teil des Pumpstrahls vom reflektierenden Bereich der Vorderseite des Lichtsteuerelements auf den Leuchtstoff der geeignet angeordneten Leuchtstoffanordnung gelenkt und zu dem ersten Farblichtanteil konvertiert. Der restliche Teil des Pumplichts kann das Lichtsteuerelement ungehindert passieren (d.h. wird vom Lichtsteuerelement transmittiert) und wird als zweites Farblicht verwendet. Dazu ist das Pumplicht in einem geeigneten sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums gewählt. Geeignet ist insbesondere blaues Licht.
Das wellenlängenumgewandelte Farblicht (erstes Farblicht) kann mit dem restlichen Pumplicht (zweites Farblicht) zur weiteren Verwendung zum resultierenden Mischlicht zusammengeführt werden. Dazu kann ein geeignetes optisches Element, beispielsweise ein Prisma, dienen, das das restliche (transmittierte) Pumplicht auf die Rückseite des Lichtsteuerelements zurückführt. Die Rückseite des Lichtsteuerelements ist für das Pumplicht reflektierend ausgelegt, für das konvertierte Farblicht hingegen transmittierend (transparent). Auf diese Weise wird das konvertierte Farblicht mit dem Pumplicht durch das Lichtsteuerelement zusammenführt. Je nach Stellung des Lichtsteuerelements im Pumplichtstrahl können die relativen Anteile von konvertiertem Farblicht und dem Pumplicht und damit der Farbton des resultierenden Mischlichts gesteuert werden. Für weitere Details hierzu wird auf die Ausführungsbeispiele verwiesen.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung auch zwei oder mehr Leuchtstoffanordnungen aufweisen. Beispielsweise können einem Lichtsteuerelement zwei Leuchtstoffanordnungen zugeordnete sein. Dazu weist die Vorderseite des Lichtsteuerelements einen ersten Bereich auf, der für das Pumplicht reflektierend und für das von der ersten Leuchtstoffanordnung wellenlängenumgewandelte erste Farblicht transmittierend ausgelegt ist. Außerdem weist die Vorderseite des Lichtsteuerelements einen zweiten Bereich auf, der für das Pumplicht (und das erste Farblicht) transparent ausgelegt ist. Dadurch gelangt der transmittierte Teil des Pumplichts zur geeignet angeordneten zweiten Leuchtstoffanordnung. Durch Verschieben der Position des Lichtsteuerelements kann der jeweilige Anteil des Pumplichts, der auf die erste bzw. zweite Leuchtstoffanordnung trifft, gesteuert werden und folglich der jeweilige Anteil der beiden Farblichtkomponenten. Die Rückseite des Lichtsteuerelements weist einen Bereich auf, der für das von der zweiten Leuchtstoffanordnung wellenlängenumgewandelte zweite Farblicht reflektierend ausgelegt ist. Auf diese Weise werden die beiden Farblichtanteile durch das gemeinsame Lichtsteuerelements zusammengeführt.
Darüber hinaus kann ein weiteres Lichtsteuerelement zwischen der Pumplichtquelle und dem ersten Lichtsteuerelement angeordnet sein, um einen Teil des Pumplichts für die Zusammenführung mit den beiden wellenlängenumgewandelten Farblichtanteilen zu ermöglichen. Dazu weist die Vorderseite des weiteren Lichtsteuerelements einen Pumplicht reflektierenden Bereich und einen transparenten Bereich auf. Nur der durch den transparenten Bereich gehende transmittierte Pumplichtanteil trifft auf das erste Lichtsteuerelement und wird von diesem auf die beiden Leuchtstoffanordnungen aufgeteilt. Der von dem weiteren Lichtsteuerelement reflektierte Pumplichtanteil kann beispielsweise über einen Umlenkspiegel und einen dichroitischen Spiegel, der in dem konvertierten Strahlengang angeordnet ist, mit den konvertierten Farblichtanteilen zum resultierenden Mischlicht zusammengeführt werden.
Schließlich kann die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung auch zwei oder mehr Lichtsteuerelemente umfassen, die hintereinander im Pumplichtstrahl angeordnet sind. Dabei ist jedem Lichtsteuerelement eine Leuchtstoffanordnung zugeordnet. Jedes der Lichtsteuerelemente ist dabei so ausgelegt, dass seine Vorderseite einen Pumplicht reflektierenden ersten Bereich und einen transparenten zweiten Bereich aufweist. Außerdem ist der erste Bereich für das jeweilige wellenlängenumgewandelte Farblicht transmittierend ausgelegt, entspricht also einem dichroitischen Spiegelelement (nur Pumplicht wird reflektiert, andersfarbiges konvertiertes Licht wird hingegen transmittiert).Über die jeweiligen Größen der vom Pumplicht bestrahlten Flächen der beiden Bereiche des jeweiligen Lichtsteuerelements kann der Beitrag des zugehörigen wellenlängenumgewandelten Farblichtanteils am resultierenden Mischlicht gesteuert werden.
Vorzugsweise, umfassen die Leuchtstoffanordnungen jeweils eine dem Leuchtstoff vorgeschaltete Optik für die Abbildung des Pumplichts auf den Leuchtstoff und das Einsammeln des vom Leuchtstoff wellenlängenumgewandelten Lichts.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Verhältnis von dem durch das Lichtsteuerelement auf den Leuchtstoff reflektierten Teil des Pumplichts zu dem transmittierten Teil des Pumplicht gesteuert.
Die Steuerung des Verhältnisses der beiden Lichtanteile kann durch Bewegen des reflektierenden Bereichs des Lichtsteuerelements in den Pumplichtstrahl hinein erfolgen, beispielsweise durch Hineinschieben und/oder Hineindrehen und/oder Verkippen. Damit wird der Anteil des Pumplichtstrahls, der den ersten (reflektierenden) Bereichs und/oder der Anteil des Pumplichtstrahls, der den zweiten (transmittierenden) Bereich der Vorderseite des Lichtsteuerelements bestrahlt, gesteuert. Das transmittierte Pumplicht kann zumindest teilweise auf einen weiteren Leuchtstoff gelenkt und/oder mit dem wellenlängenumgewandelten Licht zusammengeführt werden.
Der Begriff Pumplicht bzw. Pumplichtquelle soll im Rahmen der Erfindung dahingehend verallgemeinert zu verstehen sein, dass nicht nur für das menschliche Auge sichtbare elektromagnetische Strahlung umfasst ist, sondern darüber hinaus insbesondere auch ultraviolette (UV) und infrarote (IR) Strahlung.
Als Pumplichtquelle sind Laser aufgrund der damit möglichen hohen Leistungsdichten besonders bevorzugt. Eine geeignete Laservorrichtung kann insbesondere mindestens einen Halbleiterlaser, insbesondere Diodenlaser oder Laserdiode, umfassen. Auch können mehrere gleichartige und/ oder unterschiedliche Laserdioden in Gruppen zusammen betrieben werden, z.B. als Stapel („laser stack“) oder Matrix.
Die Erfindung ist aber nicht auf die Verwendung von Laser als Pumplichtquelle beschränkt. Beispielsweise können auch Superlumineszenzdioden oder Hochleistungsleuchtdioden (High Power LED), gegebenenfalls mit optischen Elementen zur Formung der LED Lichtstrahlen, sowie Entladungslampen, gegebenenfalls mit einem geeigneten Vorsatzfilter, geeignet sein.
Die erfindungsgemäße Beleuchtungsvorrichtung stellt Licht hoher Leuchtdichte und einstellbarer Lichtfarbe bereit. Die resultierende Lichtfarbe entsteht dabei nicht erst durch zeitliche Mittelung von zeitlich sequentiell erzeugten Farblichtkomponenten. Vielmehr werden die verschiedenen Farblichtkomponenten bzw. Farblichtkombinationen, wie beispielsweise Gelb-Blau, Rot-Grün-Blau, Rot-Grün-Gelb-Blau, Rot-Grün-Grün-Blau, gegebenenfalls alle gleichzeitig erzeugt. Dabei kann die mit Hilfe der LARP-Technologie erzielbare Leuchtdichte für das steuerbare Farblicht umgesetzt werden, da die Etendue nicht vergrößert wird.
Figurenliste
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Figuren zeigen:

1a in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung mit Lichtsteuerelementen,
1b den schematischen Strahlengang des durch die Lichtsteuerelemente reflektierten bzw. transmittierten Pumplichts im Ausführungsbeispiel gemäß 1a,
2 ein Lichtsteuerelement gemäß 1a, b,
3 eine weitere Ausführungsform eines Lichtsteuerelements,
4 eine dritte Ausführungsform eines Lichtsteuerelements,
5 eine Leuchtstoffanordnung gemäß 1a,
6 in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung,
7 in schematischer Darstellung ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung.

Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Im Folgenden werden gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1a zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 1 . Eine Laservorrichtung 2, beispielsweise eine aus 4 mal 5 Laserdioden mit je 1 Watt Laserstrahlleistung bestehende Laserdiodenmatrix, strahlt Pumplicht in Form von blauer Laserstrahlung b mit einer Emissionswellenlänge von z.B. ca. 460 nm ab. Die Laservorrichtung 2 weist darüber hinaus noch optische Elemente zur Formung, insbesondere zur Kollimation der von den Laserdioden emittierten Laserstrahlung auf (der besseren Übersicht wegen sind die einzelnen Laserdioden und optischen Elemente für die Laserstrahlformung nicht dargestellt).
Die kollimierte Laserstrahlung b trifft nacheinander auf drei voneinander beabstandet und jeweils im Winkel von ca. 45° zum einfallenden Laserstrahl b angeordnete Lichtsteuerelemente 3 . Für die nachfolgenden Erläuterungen hierzu wird auch Bezug auf 1b genommen, die in einer schematischen Ausschnittsdarstellung die von den drei Lichtsteuerelementen 3 gesteuerten Teilstrahlen zeigen. Die dort gezeigten Details sind in der 1a aus Gründen der besseren Übersicht nicht dargestellt. Der Strahlverlauf ist in 1a nur grob vereinfachend gezeigt. Außerdem wird für die nachfolgenden Erläuterungen auch Bezug auf die 2 genommen, die eines der drei Lichtsteuerelemente 3 in schematischer Darstellung zeigt. Das Lichtsteuerelement 3 besteht aus einem dünnen, rechteckigen Trägermaterial. Die rechteckige Grundfläche ist in zwei Bereiche 3 T und 3 R aufgeteilt. Der erste Bereich 3 T ist für Licht, einschließlich der blauen Laserstrahlung, transparent ausgelegt. Der zweite Bereich 3 R ist für die blaue Laserstrahlung reflektierend und für Licht außerhalb des blauen Spektralbereichs transparent ausgelegt. Der zweite Bereich 3 R wirkt für die blaue Laserstrahlung also als dichroitischer Spiegel.
Die Lichtsteuerelemente 3 sind für eine translatorische Bewegung in der Ebene der beiden Bereiche 3 T und 3 R ausgelegt. Die hierfür jeweils nötige Bewegungsvorrichtung ist der besseren Übersicht wegen nicht dargestellt sondern lediglich mit einem Doppelpfeil symbolisiert. Durch die Bewegung eines Lichtsteuerelements 3 kann der Anteil der von diesem reflektierten bzw. transmittierten blauen Laserstrahlung bR, bT gesteuert werden.
In 1b ist ein Beispiel für die erfindungsgemäße Farbsteuerung mit Hilfe der Lichtsteuerelemente 3 in der Beleuchtungsvorrichtung 1 aus 1a schematisch dargestellt. Dazu sind die drei Lichtsteuerelemente 3 in jeweils unterschiedliche Positionen bezüglich des von links einfallenden Laserstrahls b bewegt worden. Das erste Lichtsteuerelement 3 (links in 1b) ist unter 45° so in den von links kommenden Laserstrahl b hineingeschoben, dass der überwiegende Teil b1T des Laserstrahls b durch den Bereich 3 T transmittiert wird und nur ein kleiner Teil b1R durch den Bereich 3 R reflektiert wird.
Der erste transmittierte Teil b1T des Laserstrahls b wird durch das zweite Lichtsteuerelement 3 (in der Mitte in 1b) wiederum in einen zweiten transmittierten Teil b2T und einen zweiten reflektierten Teil b2R aufgeteilt. Dazu ist das zweite Lichtsteuerelement 3 gegenüber dem ersten Lichtsteuerelement 3 etwas weiter in den Laserstrahl b hineingeschoben derart, dass ein Teil des ersten transmittierten Teils b1T des Laserstrahls b auf den reflektierenden Bereich 3 R des zweiten Lichtsteuerelement 3 fällt.
Der zweite transmittierte Teil b2T des Laserstrahls b wird durch das dritte Lichtsteuerelement 3 (rechts in 1b) schließlich in einen dritten transmittierten Teil b3T und einen dritten reflektierten Teil b3R aufgeteilt. Dazu ist das dritte Lichtsteuerelement 3 gegenüber dem zweiten Lichtsteuerelement 3 noch etwas weiter in den Laserstrahls b hineingeschoben. Der transmittierte Teil b3T wird in diesem Ausführungsbeispiel nicht weiter aufgeteilt, sondern wird, wie weiter unten näher erläutert, als Blaulichtanteil für den resultierenden Nutzlichtstrahl verwendet.
Der transmittierende Bereich 3 T und der reflektierende Bereich 3 R des Lichtsteuerelements 3 müssen nicht notwendigerweise nebeneinander angeordnet sein. Die oben beschriebene Funktion kann alternativ auch dadurch erreicht werden, dass beide Bereiche als separate Elemente ausgeführt sind, die hintereinander angeordnet und gegeneinander verschiebbar sind. Solange sich nur das transmittierende Element im Laserstrahl befindet, wird 100% transmittiert. Je mehr das reflektierende Element vor das transmittierende Element geschoben wird, desto größer wird der reflektierte und kleiner der transmittierte Anteil.
Schließlich kann das Lichtsteuerelement auch nur aus einem die blaue Laserstrahlung reflektierenden Bereich bestehen, d.h. auf die Ausbildung eines für die blaue Laserstrahlung transparenten Bereichs kann im Prinzip auch verzichtet werden. Das Lichtsteuerelement wird dann einfach unterschiedlich weit in den Laserstrahl hineinbewegt. Nachteilig sind in diesem Fall allerdings die an der Kante des einzigen Bereichs des Lichtsteuerelements auftretenden Reflexionen. Außerdem können weitere Lichtlenkungsaufgaben einen solchen zweiten Bereich für das Lichtsteuerelement zwingend notwendig machen, wie beim Lichtsteuerelement 30 des in der 6 gezeigten und weiter unten erläuterten Ausführungsbeispiels.
Die 3 und 4 zeigen zwei alternative Ausführungsformen 3', 3" für die Lichtsteuerelemente, die beide für eine rotierende Bewegung ausgelegt sind. Zu diesem Zweck sind die beiden Lichtsteuerelemente 3', 3" jeweils als Kreisringscheibe ausgebildet. Wenn sich die Kreisringscheibe dreht, streicht der blaue Laserstrahlfleck b entsprechend der Drehbewegung entlang der Kreisringoberfläche.
Die beiden für eine Drehbewegung ausgelegten Lichtsteuerelemente 3', 3" unterscheiden sich lediglich in der flächenförmigen Aufteilung der transmittierenden bzw. reflektierenden Bereiche. Bei der Ausführungsform 3' sind transparenter Bereich 3' T und blau reflektierender Bereich 3' R als Kreisringhälften ausgebildet. Der Übergang von einem Bereich zum anderen erfolgt also abrupt. Bei der Ausführungsform 3" ist der Übergang von dem transparenten Bereich 3" T in den blau reflektierenden Bereich 3" R hingegen nicht abrupt sondern stetig zunehmend bis zum 100% blau reflektierenden Anteil. Darüber hinaus sind noch viele weitere Varianten denkbar, je nachdem welche dynamischen Farblichteffekte beabsichtigt sind. Für weitere Details hinsichtlich der Farblichtsteuerung wird auf die entsprechenden Ausführungen weiter unten verwiesen.
Jedem der drei Lichtsteuerelemente 3 in 1a ist je eine Leuchtstoffanordnung 4G, 4Y bzw. 4R zugeordnet. Der von dem jeweiligen Lichtsteuerelemente 3 reflektierte Teil der Laserstrahlung b trifft auf die zugehörige Leuchtstoffanordnung. Für die folgende Beschreibung einer solchen Leuchtstoffanordnung wird auch Bezug auf 5 genommen, die die Leuchtstoffanordnung 4G in einer vergrößerten Darstellung zeigt.
Die Leuchtstoffanordnung 4G besteht aus einem Leuchtstoffplättchen G und einem Doppellinsensystem 5, 6, das den vom Lichtsteuerelement 3 reflektierten Teil der blauen Laserstrahlung b auf das Leuchtstoffplättchen G fokussiert und gleichzeitig das vom Leuchtstoffplättchen G wellenlängenumgewandelte und zurückgestreute Licht g einsammelt. Dazu ist das Leuchtstoffplättchen G auf einer ebenen Stirnfläche der zweiten Fokussierlinse 6 (vom einfallenden Laserstrahl b aus betrachtet) aufgebracht. Alternativ kann der Leuchtstoff auch auf einem bewegten Träger, beispielsweise einem Leuchtstoffrad aufgebracht sein.
Die Leuchtstoffanordnung 4G wird also in Reflexion betrieben, wobei das wellenlängenumgewandelte Licht g zur weiteren Verwendung in Richtung des Pfeils zum zugehörigen Lichtsteuerelement 3 gelenkt und von diesem transmittiert wird. Weiterhin lässt die 5 erkennen, dass aufgrund des Doppellinsensystems 5, 6 auch mit einem Teillaserstrahlenbündel, wie es bei entsprechender Stellung des Lichtsteuerelements 3 auf die Leuchtstoffanordnung 4G reflektiert wird (in den 1a, 1b ist dies für die Leuchtstoffanordnung 4G der reflektierte Teilstrahl b1R), eine Bestrahlung der gesamten Fläche des Leuchtstoffplättchens G erzielt wird. Das Leuchtstoffplättchen G weist einen Grünleuchtstoff auf, der die blaue Laserstrahlung b („Pumplicht“) in grünes Licht g umwandelt.
Die beiden anderen Leuchtstoffanordnungen 4Y und 4R unterscheiden sich von der Leuchtstoffanordnung 4G lediglich darin, dass das Leuchtstoffplättchen G mit dem grünen Leuchtstoff durch ein Leuchtstoffplättchen Y mit einem Gelbleuchtstoff bzw. ein Leuchtstoffplättchen R mit einem Rotleuchtstoff ersetzt ist. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 1a, 1b wird das Leuchtstoffplättchen Y mit dem zweiten reflektierten Teilstrahl b2R bestrahlt, das Leuchtstoffplättchen R mit dem dritten reflektierten Teilstrahl b3R. Auf diese Weise stellt die Leuchtstoffanordnung 4Y also gelbes Licht y, die Leuchtstoffanordnung 4R rotes Licht r bereit. Wie zuvor für das konvertierte grüne Licht g beschrieben, werden auch das gelbe Licht y sowie das rote Licht r von den zugeordneten Lichtsteuerelementen 3 transmittiert. Durch Hinein- bzw. Herausschieben des reflektierenden Bereichs 3 R eines Lichtsteuerelements 3 lässt sich der Beitrag der zugehörigen Leuchtstoffanordnung und folglich des entsprechenden Farblichtanteils am resultierenden Nutzlicht der Beleuchtungsvorrichtung 1 steuern.
Der nach dem Passieren aller drei Lichtsteuerelemente 3 am Ende verbliebene Anteil (b3T in 1b) der blauen Laserstrahlung b wird schließlich mit den vorgenannten Farblichtkomponenten g, y und r zusammengeführt und beispielsweise in einem optischen Integrator gemischt (letzterer ist in der 1a nicht dargestellt).
Dazu wird der die blaue Laserstrahlung b über zwei 45°-Umlenkspiegel 7 in Form einer optischen Schleife zurückgelenkt. Die drei wellenlängenumgewandelten Farblichtkomponenten g, y und r werden über entsprechende dichroitische Spiegel 8, 9, 10 kollinear in den zurückgelenkten blauen Laserstrahl b eingespiegelt. Dazu sind die dichroitischen Spiegel 10, 11, 12 zum einen in ihrem zugehörigen Farblichtstrahl g, y bzw. r angeordnet. Zum anderen sind sie gegenüber den Lichtsteuerelementen 3 parallel soweit verschoben bis an ihrer kollinearen Position im zurückgelenkten Laserstrahl b stehen. Die drei dichroitischen Spiegel sind für die blaue Laserstrahlung transparent und reflektieren in der oben erwähnten Reihenfolge die Farblichtstrahl g, y bzw. r.
Anhand der drei Lichtsteuerelemente 3 lassen sich die relativen Anteile aller vier Farblichtkomponenten, nämlich b (blau), g (grün), y (gelb) und r (rot) nahezu beliebig variieren, um entsprechende Farblichteffekte zu erzielen. Dazu wird die Position eines der drei Lichtsteuerelemente, die Positionen von zweien oder gar aller drei Lichtsteuerelemente durch Verschieben verändert und damit der Anteil der von dem jeweiligen Lichtsteuerelement reflektierten bzw. transmittierten blauen Laserstrahlung b. Eine Änderung des Anteils der reflektierten Laserstrahlung wirkt sich wiederum direkt auf den Anteil des von der zugeordneten Leuchtstoffanordnung wellenlängenumgewandelten Farblichts aus. Insbesondere können eines oder mehrere der Lichtsteuerelemente 3 so eingestellt werden, dass sie die gesamte auftreffende blaue Laserstrahlung transmittieren. In diesem Fall wird die jeweils zugeordnete Leuchtstoffanordnung nicht bestrahlt, d.h. sie trägt nicht zur Leuchtstoffkonversion bei bzw. die betreffende Farblichtkomponente tritt im resultierenden Lichtstrahl nicht auf. Wird hingegen die gesamte auf ein Lichtsteuerelement einstrahlende Laserstrahlung auf die zugeordnete Leuchtstoffanordnung reflektiert, tragen sämtliche nachfolgende Leuchtstoffanordnungen sowie am Ende die Laserstrahlschleife nicht mehr zum resultierenden Lichtstrahl bei.
6 zeigt in schematischer Darstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 1'. Die Beleuchtungsvorrichtung 1' weist eine Leuchtstoffanordnung 4R für die Wellenlängenumwandlung der blauen Laserstrahlung b in rotes Licht r und eine Leuchtstoffanordnung 4G für die Wellenlängenumwandlung in grünes Licht g auf. Die beiden Leuchtstoffanordnungen sind rechtwinklig zueinander angeordnet, wobei ein gemeinsam genutztes verschiebbares Lichtsteuerelement 30 im Kreuzungsbereich beider Strahlwege in 45°-Stellung angeordnet ist.
Die der einfallenden blauen Laserstrahlung b zugewandte Vorderseite des Lichtsteuerelements 30 weist ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel in 1 einen transparenten, ersten und einen blaues Licht reflektierenden, zweiten Bereich auf (in 6 nicht erkennbar). Durch den zweiten Bereich wird ein Teil der blauen Laserstrahlung b auf das Leuchtstoffplättchen R reflektiert während der andere Teil transmittiert wird und auf die andere Leuchtstoffanordnung 4G trifft. Das vom Rotleuchtstoff R konvertierte rote Licht r kann das Lichtsteuerelement 30 passieren. Die Rückseite des Lichtsteuerelements 30 weist einen grünes Licht reflektierenden Bereich auf. Dadurch wird das vom Grünleuchtstoff G konvertierte grüne Licht g vom Lichtsteuerelement 30 kollinear zum roten Licht r reflektiert. Die relativen Anteile von rotem und grünen Licht r, g können über die Stellung des Lichtsteuerelements 30 gezielt verändert werden.
Außerdem wird über eine optische Schleife ein Teil der blauen Laserstrahlung b kollinear in den roten bzw. grünen Lichtstrahlweg r, g eingespiegelt. Dazu ist ein weiteres verschiebbares Lichtsteuerelement 31 zwischen der Laservorrichtung 2 und dem ersten Lichtsteuerelement 30 in 45°-Stellung angeordnet. Mit Hilfe des Lichtsteuerelements 31 wird der Anteil der blauen Laserstrahlung b für die optische Schleife eingestellt. Ein 45°-Umlenkspiegel 7 und ein dichroitischer Spiegel 11 spiegeln den blauen Laserteilstrahl b kollinear in den roten bzw. grünen Lichtstrahlweg r, g ein. Dazu ist der dichroitische Spiegel 11 für die blaue Laserstrahlung b reflektierend und für das rote und grüne Licht r, g transparent ausgelegt und um 45° verkippt im roten bzw. grünen Lichtstrahlweg r, g angeordnet. Nach dem dichroitischen Spiegel 11 resultiert ein Lichtstrahl mit den Farblichtkomponenten r (rot), g (grün), b (blau), deren relative Anteile über die Lichtsteuerelemente 30 und 31 gesteuert werden können.
In einer nicht dargestellten Variante sind das rote Leuchtstoffplättchen R und das grüne Leuchtstoffplättchen G durch ein gelbes Leuchtstoffplättchen Y bzw. blaues Leuchtstoffplättchen B ersetzt. Mit Hilfe von blauvioletter oder gar ultravioletter Laserstrahlung wird damit gelbes bzw. blaues Konversionslicht erzeugt. Auf die Abzweigung von Laserstrahlung in einer separaten Schleife kann somit verzichtet werden und folglich auch auf das Lichtsteuerelement 31, den Umlenkspiegel 7 sowie den dichroitischen Spiegel 11.
7 zeigt in schematischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 1". Dabei handelt es sich um die einfachste Variante mit nur einer einzigen Leuchtstoffanordnung 4Y.
Die Leuchtstoffanordnung 4Y weist ein Gelbleuchtstoffplättchen Y auf, zur Wellenlängenumwandlung der blauen Laserstrahlung b in gelbes Licht y. Über ein 45° zur einfallenden Laserstrahlung angeordnetes Lichtsteuerelement 32 wird der Teil der blauen Laserstrahlung b, der auf das Gelbleuchtstoffplättchen Y reflektiert wird, gesteuert. Dazu ist das Lichtsteuerelement 32 als dichroitischer Spiegel ausgelegt, der die von der Laseranordnung 2 kommenden blaue Laserstrahlung b reflektiert und das wellenlängenumgewandelte gelbe Licht y transmittiert. Außerdem ist das Lichtsteuerelement 32 so positioniert, dass es nur einen Teil des Laserstrahls b in Richtung der Leuchtstoffanordnung 4Y reflektiert. Der Rest des Laserstrahls b geht am Lichtsteuerelement 32 vorbei und tritt in ein TIR-Prisma 12 (TIRb = Total Internal Reflexion) ein. Alternativ kann selbstverständlich auch ein entsprechendes an den Außenflächen verspiegeltes Prisma verwendet werden. Durch Verschieben des Lichtsteuerelements 32 in Reflexionsrichtung, also quer zum Laserstrahl b kann dieser Anteil variiert werden.
Das Prisma 12 ist so ausgelegt, dass durch interne Reflexionen ein paralleler Strahlversatz entgegen der Einfallsrichtung erzielt wird. Dadurch trifft der Laserstrahl b zurück auf die Rückseite des Lichtsteuerelements 32, von wo aus er kollinear zum transmittierten gelben Licht y reflektiert wird. Zu diesem Zweck ist die Rückseite des Lichtsteuerelements 32 für die Laserstrahlung b ebenfalls reflektierend ausgelegt. Nach dem dichroitischen Spiegel 32 resultiert also ein Lichtstrahl mit den Farblichtkomponenten y (gelb) und b (blau), deren relative Anteile über das Lichtsteuerelement 32 (verschiebbarer dichroitischer Spiegel) gesteuert werden können. Insbesondere kann das Lichtsteuerelement 32 auch so eingestellt werden, dass überhaupt kein blaues Laserlicht b von dem Lichtsteuerelement 32 transmittiert wird. In diesem Fall besteht der resultierende Lichtstrahl nur aus dem konvertierten gelben Farblicht y. Andererseits kann das Lichtsteuerelement 32 auch so eingestellt werden, dass es überhaupt kein blaues Laserlicht b in Richtung der Leuchtstoffanordnung 4Y reflektiert. In diesem Fall besteht der resultierende Lichtstrahl nur aus dem unkonvertierten blauen Laserlicht b. Selbstredend können auch alle Mischungsverhältnisse zwischen diesen beiden Grenzfällen eingestellt werden oder sich fortwährend selbsttätig ändern, beispielsweise anhand der in den 3 oder 4 gezeigten kreisringförmigen Lichtsteuerelementen 3' bzw. 3".
Die Erfindung schlägt eine Beleuchtungsvorrichtung (1) vor, bei der die Lichtfarbe mit Hilfe mindestens eines Lichtsteuerelements (3) gesteuert werden kann. Das Lichtsteuerelement (3) ermöglicht die Aufteilung eines Pumplichtstrahls b in einen transmittierten und einen reflektierten Anteil. Ein Anteil des Pumplichtstrahls wird mindestens einer Leuchtstoffanordnung (4G, 4Y, 4R) zugeführt und dort in Farblicht (g, y, r) konvertiert. Durch Beeinflussung des transmittierten bzw. reflektierten Anteils, beispielsweise durch Verschieben des Lichtsteuerelements (3) im Pumplichtstrahl b, kann der Beitrag der Farblichtanteile (g, y, r) am resultierenden Mischlicht und folglich dessen Lichtfarbe gesteuert werden.

Claims

Beleuchtungsvorrichtung (1), umfassend eine Pumplichtquelle (2), eine Leuchtstoffanordnung (4) und ein Lichtsteuerelement (3), das zwischen der Pumplichtquelle (2) und der Leuchtstoffanordnung (4) angeordnet ist, wobei - das Lichtsteuerelement (3) geeignet ist, den Pumplichtstrahl in einen reflektierten Teil und einen transmittierten Teil aufzuteilen und das Verhältnis zwischen reflektiertem Teil und transmittiertem Teil zu steuern, - die Leuchtstoffanordnung (4) mindestens einen Leuchtstoff (R, Y, G) aufweist, der mit dem reflektierten Teil und/oder transmittierten Teil des Pumplichts der Pumplichtquelle (2) bestrahlbar ist und dieses Pumplicht zumindest teilweise wellenlängenumgewandelt wieder abstrahlt, wobei das Lichtsteuerelement (3) eine Vorderseite und eine Rückseite aufweist, und wobei die Vorderseite einen Bereich umfasst, der für das Pumplicht reflektierend ausgelegt ist, und wobei der Bereich der Vorderseite für das wellenlängenumgewandelte Licht transparent ausgelegt ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Lichtsteuerelement (3) so angeordnet ist, dass der Bereich der Vorderseite nur einen Teil des auftreffenden Pumplichts (b) auf den Leuchtstoff (R, Y, G) der Leuchtstoffanordnung (4) reflektiert.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Vorderseite des Lichtsteuerelements (3) einen zweiten Bereich umfasst, der für das Pumplicht und das wellenlängenumgewandelte Licht transparent ausgelegt ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche mit einem oder mehreren weiteren Lichtsteuerelementen (3), die hintereinander im Pumplichtstrahl angeordnet sind, wobei jedem Lichtsteuerelement (3) eine Leuchtstoffanordnung (4) zugeordnet ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Rückseite des Lichtsteuerelements (32) einen Bereich umfasst, der für das wellenlängenumgewandelte Licht reflektierend ausgelegt ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Rückseite des Lichtsteuerelements (32) einen Bereich umfasst, der für das Pumplicht reflektierend ausgelegt ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei dem Lichtsteuerelement (32) ein Prisma (12) nachgeschaltet ist, das den vom Lichtsteuerelement (32) transmittierten Teil des Pumplichts (b) auf den reflektierenden Bereich der Rückseite des Lichtsteuerelements (32) zurückführt.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Leuchtstoffanordnung eine Optik (5,6) für die Abbildung des Pumplichts auf den Leuchtstoff und das Einsammeln des wellenlängenumgewandelten Lichts umfasst.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei für die Steuerung des Verhältnisses von reflektiertem zu transmittiertem Anteil des Pumplichts das Lichtsteuerelement (3) bewegbar ausgebildet ist.
Beleuchtungsvorrichtung (1) nach Anspruch 9, wobei die Bewegbarkeit des Lichtsteuerelement (3) translatorisch, rotierend oder verkippend ist.
Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtungsvorrichtung (1), die Beleuchtungsvorrichtung (1) umfassend eine Pumplichtquelle (2), eine Leuchtstoffanordnung (4) und ein Lichtsteuerelement (3), das zwischen der Pumplichtquelle (2) und der Leuchtstoffanordnung (4) angeordnet ist, wobei das Lichtsteuerelement (3) geeignet ist, den Pumplichtstrahl in einen reflektierten Teil und einen transmittierten Teil aufzuteilen und das Verhältnis zwischen reflektiertem Teil und transmittiertem Teil zu steuern, die Leuchtstoffanordnung (4) mindestens einen Leuchtstoff (R, Y, G) aufweist, der mit dem reflektierten Teil und/oder transmittierten Teil des Pumplichts der Pumplichtquelle (2) bestrahlbar ist und dieses Pumplicht zumindest teilweise wellenlängenumgewandelt wieder abstrahlt, wobei ein Verhältnis von dem durch das Lichtsteuerelement reflektierten Teil des Pumplichts zu dem transmittierten Teil des Pumplicht gesteuert wird, und wobei die Steuerung des Verhältnisses durch Bewegen des reflektierenden Bereichs einer Vorderseite des Lichtsteuerelements in den Pumplichtstrahl und damit durch Auswahl der Größe der bestrahlten Fläche des reflektierenden Bereichs der Vorderseite des Lichtsteuerelements erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Leuchtstoff mit dem reflektierten oder transmittierten Teil des Pumplichts bestrahlt wird.